SISTEM TENAGA GAS

SISTEM TENAGA GAS

KELOMPOK 3 Dwi putri anggrainijuriwonNirda fitriaSeppy fajriani

Siklus rangkapSiklus rangkap terdiri dari jenis proses yang sama dengan siklus otto dan siklus diesel.

Siklus yang terjadiProses 1-2 adalah kompresi isentropik.Proses 2-3 adalah penambahan kalor pada volume konstan.Proses 3-4 adalah penambahan kalor pada tekanan konstan.Proses 4-5 adalah proses isentropik . Proses 5-1 adalah proses pelepasan kalor.Analisa Siklus

PROPERTI-PROPERTI STAGNASI

Kondisi stagnasi merupakan kondisi yang akan dicapai oleh fluida yang mengalir jika kecepatannya dikurangi secara isentropic hingga mencapai nol.kita dapat membayangkan situasi ini terjadi di dalam sebuah diffuser yang beroperasi pada kondisi tunak. Dengan merduksi kesetimbangan energy pada diffuser semacam itu, dapat disimpulkan bahwa entalpi pada kondisi stagnasi yang berhubungan dengan kodisi actual di dalam aliran yang memiliki entalpi spesifik h dan kecepatan V diberikan melaluiho = h + V2/2 (persamaan 9.39)

entalpi ditandakan melalui ho di sini disebut sebagai entalpi stagnasi. Tekanan po dan temperature To pada kondisi stagnasi disebut berturut-turut sebagai tekanan stagnasi dan temperature stagnasi.

Sonic & SupersonicSupersonic adalah kecepatan dimana kecepatan itu melebihi kecepatan suara, kalau dibawah itu disebutnya sub sonic. Pesawat pertama yang bisa mencapai kecepatan supersonic adalah pesawat X-1 yang dikembangkan NASA dan Bell corporation di Amerika sana, pesawat ini mencapai kecepatan lebih dari mach 2. Mach adalah satuan kecepatan untuk supersonic.Supersonik adalah kecepatan di atas kecepatan suara, yang kira-kira adalah 343 m/d (1.087 kaki/detik, 761 mpj, 1.225 km/j, di udara pada permukaan laut. Kecepatan lima kali di atas kecepatan suara disebut hipersonik. Dengan menggunakan Mach number, kecepatan dibagi menjadi lima kategori yaitu:Subsonik (Mach lebih kecil dari Mach 1 / less than Mach 1)Sonik (Mach = 1)Transonik ( di antara Mach 0,8 Mach 1,3)Supersonik (di antara Mach 1,3 Mach 5)Hypersonik (Mach > 5)

Gelombang kejut normal Fungsi gelombang kejut normal. Selanjutnya, kita akan mengembangkan persamaan dalam bentuk tertutup untuk gelombang kejut normal untuk kasus gas ideal yang memiliki kalor spesifik konstan.

Diagram T-S untukSiklus brayton meliputi regenerasi, pemanasan ulang, kompresi dengan intercoolingSIKLUS BRAYTON STANDAR UDARADiagram skematik dari turbin gas standar udara diperlihatkan pada gambar berikut.

SIKLUS BRAYTON STANDAR UDARA Arah perpindahan energy utama yang terjadi ditunjukkan oleh tanda panah. Sesuai dengan asumsi-asumsi di dalam analisis standar udara, naiknya nilai temperature yang akan dihasilkan oleh proses pembakaran diperoleh melalui perpindahan kalor menuju fluida kerja dari sumber eksternal dan fluida kerja dianggap adalah udara yang memiliki sifat gas ideal.

Dengan menggunakan idealisasi standar udara, udara akan dihisap dari lingkungan sekitar ke dalam kompresor pada kondisi 1 dan nantinya dikembalikan lagi ke lingkungan pada kondisi 4 dengan temperature yang lebih tinggi dari suhu lingkungan.Setelah berinteraksi dengan lingkkungan, setiap unit massa udara yang dilepaskan akan kembali ke kondisi yang sama seperti saat akan memasuki kompresor, dengan demikian kita dapat menganggap bahwa udara yang melewati turbin gas sedang menjalani sebuah siklus termodinamika.

Representasi yeng sederhana untuk tahap-tahap yang dilewati oleh udara di dalam siklus semacam itu dapat dibuat dengan menganggap bahwa udara buangan dari turbin dikembalikan ke kondisi seperti pada saat memasuki kompresor dengan cara melewati sebuah alat penukar kalor yang di dalamnya terjadi pembuangan kalor ke lingkungan sekitar.TURBIN GAS REGENERATIFTemperature di pembuangan turbin pada sebuah turbin gas biasanya jauh lebih besar jika dari temperature lingkungan. Oleh karenanya, gas panas yang keluar dari pembuangan turbin memiliki potensial untuk digunakan yang akan hilang tak kembali jika gas tersebut langsung dibuang ke lingkungan. Salah satu cara untuk memanfaatkan potensi tersebut adalah dengan menggunakan alat penukar kalor yang dinamakan regenerator, di mana udara yang keluar dari kompresor akan melalui proses pra-pemanasan yang dibutuhkan untuk pembakaranSiklus brayton standar udara yang sudah dimodifikasi dengan memakai regenerator diperlihatkan pada gambar 9.14. regenerator yang ditunjukkan merupakan alat penukar kalor kontra aliran di mana udara panas dari pembuangan turbin dan udara lebih dingin yang meninggalkan kompresor lewat dengan arah yang berlawanan.

Idealnya, tidak terdapat penurunan tekanan akibat gesekan di dalam kedua aliran tersebut. Gas pembuangan turbin akan didinginkan dari kondisi 4 sampai kondisi y, sementara udara yang meninggalkan kompresor dipanaskan padakondisi 2 sampai kondisi x. dengan demikian, perpindahan kolor yang berasal dari sumber eksternal ke dalam siklus hanya dibutuhkan untuk manaikkan temperature udara dari kondisi x sampai kondisi 3, dan bukan dari kondisi 2 menuju kondisi 3, yang merupakan proses yang terjadi di dalam kasus tanpa regenerasi. Penambahan kalor per satuan massa diberikan melalui

Qin/m = h3/hxKerja netto yang dihasilkan per satuan massa aliran tidak berubah dengan adanya penambahan regenerator. Oleh karena itu, karena penambahan kalor berkurang, efisiensi termal akan meningkat.TURBIN GAS REGENERATIF DENGAN PEMANASAN ULANG DAN INTERCOOLING1. TURBIN GAS DENGAN PEMANASAN ULANGDengan alasan-alasan metalurgis, temperature dari gas hasil pembakaran yang memasuki turbin harus dibatasi. Temperature ini dapat dikontrol dengan cara memberikan udara berlebih dari yang dibutuhkan dalam proses pembakaran di dalam ruang bakar. Sebagai konsekuensinya, gas yang meninggalkan ruang bakar mengandung udara yang cukup untuk mendukung pembakaran bahan akar tambahan. Beberapa pembangkit tenaga turbin gas memanfaatkan udara berlebih ini melalui penerapan turbin multi tingkat yang dilengkapi dengan reheat combustor di antara tingkat-tingkat yang ada.

2. KOMPRESI DENGAN INTERCOOLINGBeberapa kompresor besar memiliki beberapa tingkatan kompresi dengan intercooling di antara tiap tingkatan. Penentuan jumlah tingkatan dan kondisi pengoperasian berbagai intercooler merupakan masalah di dalam optimalisasi. Penggunaan kompresi multi tingkat dengan intercooling di dalam pembangkit tenaga turbin gas meningkatkan kerja netto yang dihasilkan dengan cara mengurangi kerja kompresi. Kompresi dengan intercooling itu sendiri tidak akan selalu meningkatkan efisiensi termal pada turbin gas, karena temperature udara yang memasuki ruang bakar akan berkurang.PEMANASAN ULANG DAN INTERCOOLINGPemanasan ulang di antara tingkatan turbin dan intercooling di antara tingkatan kompresor akan memberikan dua keuntungan penting: keluaran kerja netto akan meningkat, dan potensi untuk regenerasi akan bertambah.

Salah satu pengaturan yang melibatkan pemanasan ulang, intercooling dan regenerasi dapat terlihat pada gambar 9.19. Turbin gas ini memiliki dua tingkatan kompresi dan dua tingkatan turbin. Diagram T-s yang tertera telah digambarkan untuk mengindikasikan ireversibilitas di dalam tingkatan-tingkatan kompresor dan turbin. Penurunan tekanan yang terjadi ketika fluida kerja melewati intercooler, regenerator dan ruang bakar tidak ditunjukkan.

Pengaruh Penambahan Luas Area pada Nozzle & Diffuser dalam Aliran Supersonik, efek tekanan balik pada laju aliran massa ALIRAN KOMPRESIBEL MELALUI NOZEL DAN DIFUSERDi dalam banyak aplikasi teknik, gas bergerak pada kecepatan yang relative tinggi dan menunjukkan perubahan-perubahan kerapatan yang cukup besar. Aliran yang melewati nozel dan diffuser pada mesin jet merupakan contoh penting. Contoh-contoh lain adalah aliran yang melewati terowongan angin, tabung kejut, dan ejector uap. Aliran-aliran tersebut dikenal dengan nama aliran kompresibel. 9.12 PENDAHULUAN MENGENAI ALIRAN KOMPRESIBELPERSAMAAN MOMENTUM UNTUK ALIRAN SATU DIMENSI TUNAKMomentum juga dapat dibawa masuk dan keluar dari volume atur melalui lubang-lubang masuk dan keluar, dan perpindahan-perpindahan yang terjadi dapat dihitung melalui Analiis mengenai aliran kompresibel membutuhkan penerapan prinsip-prinsip konservasi massa dan energy, hukum kedua termodinamika, dan hubungan di antara sifat-sifat termodinamika dari gas yang mengalir. Sebagai tambahan, hukum gerak kedua Newton juga dibutuhkan. Penerapan hukum gerak kedua Newton ke system dengan massa konstan (system tertutup) melibatkan bentuk persamaan yang sudah dikenalF=ma

(persamaan 9.30)Didalam persamaan tersebut, momentum per satuan massa yang mengalir melewati batas daerah volume atur diberikan melalui vector kecepatan V. sesuai dengan model aliran satu dimensi, vector memiliki arah normal (tegak lurus) terhadap lubang masuk maupun lubang keluar dan memiliki orientasi yang searah dengan aliran.Dengan kata lain, hukum gerak kedua Newton yang diterpkan kepada volume atur adalah

Pada kondisi tunak, total momentum yang terkandung di dalam volume atur adalah konstan terhadap waktu. Dengan demikian, pada saat menerapkan hukum gerak kedua Newton terhadap volume atur, yang perlu diperhatikan hanyalah momentum yang menyertai aliran benda-benda yang masuk dan keluar dan gaya yang bekerja pada volume atur. Hukum Newton kemudian menyatakan bahwa besarnya gaya resultan F yang bekerja pada volume atur adalah setara dengan selisih di antara laju momentum yang keluar dan yang masuk melalui volume atur yang menyertai aliran massa. Ini dinyatakan di dalam persamaan momentum berikut

(persamaan 9.31)Oleh karena m1 dan m2 pada kondisi tunak, aliran massa di dalam persamaan ini akan diberikan notasi m saja. Gaya resultan terdiri dari gaya-gaya yang disebabkan oleh tekanan yang bekerja pada lubang masuk dan lubang keluar, gaya-gaya yang bekerja di bagian volume atur di mana tidak terjadi aliran massa, dan gaya gravitasi. Persamaan hukum gerak kedua Newton diberikan oleh persamaan 9.31 sudah cukup untuk diskusi lebih lanjut. Formulasi volume atur yang lebih umum biasanya diberikan di dalam naskah- naskah mekanika fluida.9.13 ALIRAN TUNAK SATU DIMENSI DI DALAM NOZEL DAN DIFUSER1. EFEK PERUPAHAN AREA DI DALAM ALIRAN SUBSONIK DAN SUPERSONIKPersamaan diferensial yang mengatur. Kita akan memulai dengan memperhatikan sebuah volume atur yang melingkupi sebuah nozel atau diffuser. Pada kondisi tunak, laju aliran massa memiliki nilai konstan, sehingga

AV = konstanBentuk diferensialnya adalah

Atau setelah menbagi tiap suku dengan

(persamaan 9.40)

Dengan menggunakan persamaan 9.39, terbukti bahwa entalpi stagnasi pada kondisi 1 dan 2 memiliki nilai sama :ho2=ho1. Karena setiap konsisi yang berada di daerah hilir dari lubang masuk dapat dianggap sebagai kondisi 2, hubungan berikut antara entalpi spesifik dan energy kinetic harus dapat dipenuhi pada setiap kondisi

(persamaan 9.41)Persamaan ini menunjukkan bahwa jika kecepatan meningkat (berkurang) searah dengan aliran, entalpi spesifik harus berkurang (meningkat) searah dengan aliran, dan sebaliknya.Sebagai tambahan dari persamaan 9.40 dan 9.41 yang menyatakan konservasi massa dan energy, hubungan di antara berbagai property juga harus dipertimbangkan. Dengan mengasumsikan bahwa aliran terjadi secara isentropic, hubungan property

(persamaan 9.42)Persamaan ini menunjukanbahwa tekanan meningkat atau berkurang searah dengan aliran, entalpi spesifik akan berubah dengan cara yang sama.Jika kita mengambil diferensial dari hubungan property p = p(p,s)

Suku yang kedua akan hilang di dalam aliran isentropic. Dengan menggunakan persamaan 9.36a kita dapat memperoleh

Yang menunjukkan bahwa jika tekanan meningkat (berkurang) searah dengan aliran, perubahan kerapatan akan berubah dengan cara yang sama.Kesimpulan tambahan dapat diambil dengan menggabungkan persamaan-persamaan diferensial di atas. Dengan menggabungkan persamaan 9.41 dan 9.42 akan diperoleh

(persamaan 9.44)Yang menunjukkan bahwa jika kecepatan meningkat (berkurang) searah dengan aliran, tekanan akan berkurang (meningkat) searah dengan aliran, dan sebaliknya.Dengan menghilangkan dp di antara persamaan 9.43 dan 9.44 dan menggabungkan hasilnya dengan persamaan 9.40, maka akan didapatkan

Atau dengan bilangan Mach (M)

(persamaan 9.45)2. EFEK TEKANAN BALIK TERHADAP LAJU ALIRAN MASSATekanan balik adalah tekanan di daerah pembuangan di bagian luar nozel. Kasus nozel divergen akan dibahas lebih dahulu, dan setelah itu nozel konvergen divergen akan dibahas.

Nozel konvergen. Gambar 9.29 menunjukkan pipa konvergen dengan kondisi stagnasi di lubang masuk, yang membuang ke daerah di mana tekanan balik pB dapat diubah-ubah. Untuk suatu urutan kasus yang diberi symbol a sampai e, marilah kita memperhatikan bagaimana laju aliran massa m dan tekanan keluar nozel pE berubah ketika tekanan balik diturunkan sementara kondisi inlet dijaga tetap.Nozel konvergen-divergen. Gambar 9.30 memberikan illustrasi mengenai efek tekanan balik terhadap nozel konvergen-divergen.

9.14 ALIRAN DI DALAM NOZEL DAN DIFUSER UNTUK GAS IDEAL DENGAN KALOR SPESIFIK KONSTANFungsi aliran isentropic. Kita muali dengan mengembangkan persamaan-persamaan yang menghubungkan suatu kondisi di dalam aliran kompresibel dengan kondisi stagnasi yang bersesuaian. Untuk kasus gas ideal dengan cp konstan persamaan 9.39 menjadi

Dimana To adalah temperature stagnasi. Dengan menggunakan cp= kR/(k=1), bersama-sama dengan persamaan 9.37 dan 9.38, hubungan antara temperature T dan bilangan Mach M dari gas yang mengalir dan temperatus stagnasi To yang bersesuaian adalah

(persamaan 9.50)Dengan menggunakan persamaan 6.45, hubungan antara temperature T dan tekanan p di dalam gas yang mengalir dan temperature stagnasi To yang bersesuaian adalah

Memasukkan persamaan 9.50 di dalam persamaan diatas akan memberikan

(persamaan 9.51)Walaupun kondisi sonic pada kenyataannya tidak mencapai di dalam aliran ini, akan memudahkan jika kita menggunakan persamaan yang menghubungkan area A di suatu seksi tertentu dengan area A* yang diperlukan untuk mencapai aliran sonic (M=1) dengan laju aliran massa dan kondisi stagnasi yang sama. Area-area tersebut berhubungan melalui

Dimana p* dan V* berturut-turut adalah kerapatan dan kecepatan ketika M=1. Dengan menggunakan persamaan keadaan untuk gas ideal, bersama-sama dengan persamaan 9.37 dan 9.38, dan memecahkan A/A*

Dimana T* dan p* berturut-turut adalah temperature dan tekanan ketika M=1. Sehingga dengan menggunakan persamaan 9.50 dan 9.51

Variasi A/A* terhadap M diperlihatkan pada gambar 9.33 untuk k=1,4. Gambar tersebut menunjukkan bahwa terdapat nilai unik dari A/A* yang berpasangan dengan nilai M. akan tetapi, untuk A/A* selain satu, terdapat dua pilihan bilangan Mach, satu subsonic dan satu supersonic. Hal ini konsisten dengan pembahasan gambar 9.28, di mana ditemukan bahwa celah konvergen-divergen yang di dalamnya terdapat suatu daerah minimum diperlukan untuk mengakselerasi aliran dari kecepatan subsonic ke supersonic.Contoh Soal