tugas makalah mke ii
TRANSCRIPT
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)