Pengantar Mesin Konversi Energi: Modul 7

SOAL PRE TEST

MODUL 7.

Petunjuk :

Kerjakan semua soal pretest ini sebagai syarat untuk mempelajari modul 7

1. Jelaskan tentang siklus-siklus turbin gas baik siklus turbin gas terbuka dan siklus turbin gas tertutup ? Gambarkan siklusnya ?

2. Gambarkan siklus brayton ? Jelaskan proses-proses yang terjadi pada siklus Brayton tersebut ?

3. Buat hubungan antara siklus brayton dengan proses kerja turbin gas ?

4. Mengapa terjadinya penyimpangan siklus Brayton dari keadaan yang ideal ?

5. Sebutkan hal-hal yang mempengaruhi efisiensi dari sebuah kompresor ?

6. Jelaskan apa yang terjadi pada proses pembakaran di dalam ruang bakar sebuah turbin gas ?

7. Apa yang menyebabkan proses ekspansi di dalam turbin tidak berlangsung secara isentropic ?

8. Sebutkan hal-hal yang menentukan efisiensi turbin ? Turbin jenis apa yang mempunyai efisiensi tinggi ?

9. Jelaskan tujuan dilakukan modifikasi siklus Brayton ?

10. Jelaskan apa yang diamksud dengan proses regenerasi, intercooler, reheater serta injeksi air ?

11. Sebutkan jenis modifikasi siklus brayton yang menghasilkan effisiensi siklus yang paling baik, jelaskan prosesnya ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelum mempelajari modul 7.

MODUL 7. TURBIN

Sasaran Belajar :

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menjelaskan siklus-siklus turbin gas serta menggambarkan aliran prosesnya.

2. Menjelaskan proses kerja siklus brayton udara standart berdasarkan prinsip kerja turbin gas.

3. Menggambarkan siklus Brayton secara benar.

4. Mejelaskan penyebab penyimpangan siklus brayton dari keadaan ideal.

5. Menjelaskan proses pembakaran di dalam ruang bakar serta ekspansi di dalam turbin.

6. Menjelaskan tujuan dilakukan modifikasi terhadap siklus brayton serta jenis modifikasinya.

7. Menjelaskan pengaruh regenerasi, intercooler, reheater dan injeksi air terhadap effisiensi siklus diesel

8. Melakukan perhitungan-perhitungan kerja turbin gas berdasarkan siklus brayton

7.1. SIKLUS TURBIN GAS

1. Siklus- terbuka langsung (direct-open cycle)

Skema siklus langsung terbuka ditunjukkan pada gambar 6 - 1. Udara masuk ke kompresor pada titik 1, dan dimampatkan pada titik 2. Gas itu lalu masuk ke ruang bakar, dan menerima kalor hasil pembakaran pada tekanan tetap (ideal), lalu keluar dalam keadaan panas pada titik 3 munuju turbin dan berekspansi di dalam turbin. Gas-buang panas yang keluar pada titik 4 bercampur dengan udara atmosfer diluar siklus.

Selanjutnya masukan udara dingin yang baru ditarik pada titik 1. Kompressor mendapat daya dari turbin. Daya berguna juga dapat dihasilkan oleh turbin itu (atau oleh gas yang ber ekspansi selanjudnya di dalam nosel yang menghasilkan gaya-dorong (propulsi) terhadap wahana yang membawa instalasi itu, misalnya pesawat terbang jet. Oleh karena siklus ini siklus terbuka, fluida kerja yang dapat digunakan hanyalah udara (di bumi).

Gambar 6 -1.

Siklus Terbuka langsung

2. Siklus terbuka tak-langsung (indirect open cycle)

Unsur-unsur siklus-terbuka tak-langsung ditunjukkan pada gambar 6 - 2, prosesnya serupa dengan siklus terbuka langsung, kecuali di sini udara merupakan fluida sekunder yang menerima kalor dari bahan-pendingin primer di dalam penukar-kalor. Siklus ini cocok untuk digunakan di tempat-tempat di mana udara tidak boleh menerima udara secara langsung karena pertimbangan lingkungan, misalnya dari reaktor nuklir karena radio-aktivitasnya dapat menyebar ke atmosfer. Namun, perlu dicatat bahwa reaktor nuklir sebaiknya menggunakan siklus-tertutup.

Gambar 6 – 2.

Siklus Terbuka Tak Langsung

3. Siklus-tertutup langsung (direct closed cycle)

Pada siklus tertutup langsung seperti yang ditunjukkan gambar 6 - 3, gas pendingin dipanaskan di dalam reaktor, berekspansi melalui turbin, didinginkan di dalam penukar-kalor dan dikompresi kembali ke reaktor. Siklus ini dapat juga menggunakan gas lain, bukan hanya udara. Tidak ada buangan gas-radioktif yang dibuang ke atmosfer dalam operasi normal. Siklus tertutup memungkinkan fluida-kerja ditekan sehingga volumenya mengecil dan mesin-mesin rotasinya juga lebih kecil. Fluida-kerja yang paling cocok untuk ini adalah helium.

Gambar 6 - 3.

Siklus tertutup Langsung

4. Siklus-tertutup tak-langsung (indirect closed cycle)

Siklus-tertutup tak-langsung merupakan gabungan siklus-terbuka tak-langsung dan siklus-tertutup langsung karena reaktornya terpisah dari fluida-kerja oleh suatu penukar-kalor, sedang gas-kerja itu membuang kalor ke atmosfer melalui penukar kalor seperti yang ditunjukkan pada gambar6 - 4.

Gambar 6 - 4.

Siklus-tertutup tak-langsung

7.2. SIKLUS BRAYTON UDARA STANDART

Diagram dari siklus Bryton dengan udara standar dapat dilihat pada gambar 6 - 5 Arah dari perpindahan energi dapat dilihat sesuai dengan arah panah.

Gambar 6 - 5

Siklus brayton Udara standar

Siklus P - V dan siklus T - S

Proses-proses yang berlangsung pada siklus Bryton adalah :

1. Proses 0 - 2 - 3: proses kompresi secara isentropic, dimana udara dari keadaan 1 dari lingkungan masuk ke dalam kompresor. Udara dimampatkan sehingga tekanan dan suhu meningkat.

2. Proses 3 - 4 : Proses pembakaran yang berlangsung secara isobaric, dimana udara yang keluar dari kompresor masuk ke dalam ruang bakar dan terjadi proses pembakaran pada tekanan konstan.

3. Proses 4 – 5 : Yaitu proses ekspansi secara isentropic, udara dan bahan bakar yang dibakar di dalam ruang bakar berubah menjadi gas hasil pembakaran mempunyai tekanan dan suhu yang tinggi dan dapat digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu dari turbin gas. Sebagian energi digunakan untuk memutar kompresor dan sisanya lagi dapat diubah menjadi energi lain (misalnya: energi kinetic atau energi mekanik). Proses ini biasanya disebut langkah kerja.

4. Proses 5 – 8 : , yaitu proses pembuangan gas hasil pembakaran.

7.3. PENYIMPANGAN SIKLUS BRAYTON DARI KEADAAN IDEAL

Pada saat udara baru yang dimasukkan ke dalam kompresor mengalami proses kompresi, sebenarnya terdapat kerugian energi karena gesekan, perpindahan kalor, kejutan, dll. Jadi proses kompresi tersebut sebenarnya tidak isentropic. Olek karena itu untuk memperoleh tekanan kompresi yang sama dibutuhkan kenaikan entropi yang lebih besar dan efisiensi kompresor.

Besarnya efisiensi kompresor tergantung dari jenis kompresor, perbandingan tekanan () dan jumlah udara yang dipindahkan. Sistem turbin gas dapat menggunakan beberapa jenis kompresor antara lain kompresor pemindahan positif, kompresor sentrifugal dan kompresor aksial. Kompresor pemindahan positif banyak digunakan pada unit stasioner dan kapal. Kompresor ini mempunyai kapasitas mencapai 3.400 m³/menit dengan perbandingan tekanan 2,4 dan mempunyai efisiensi sekitar 86 %.

Jenis kompresor sentrifugal dan aksial banyak dipakai baik pada unit stasioner, kenderaan darat, kapal, maupun pesawat terbang. Kompresor sentrifugal bertingkat tunggal efisiensinya dapat mencapai sekitar 80 % dengan perbandingan tekanan 3 – 4. Sedangkan kompresor aksial dapat mencapai efisiensi sekitar 90 % dengan perbandingan kecepatan mencapai 12. Namun demikian, oleh karena perbandingan tekanan yang dapat dihasilkan setiap tingkat hanya berkisar antara 1,04 – 1,14, maka untuk menghasilkan perbandingan tekanan yang tinggi diperlukan jumlah tingkat yang lebih banyak. Hal ini mengekibatkan ukuran kompresor aksial menjadi lebih panjang. Jadi yang dilakukan adalah memperbaiki efisiensi, memperkecil ukurannya dan mengurangi beratnya.

7.4. PROSES PEMBAKARAN DI DALAM RUANG BAKAR.

Proses pembakaran adalah sama dengan proses pemasukan kalor pada siklus Brayton. Jadi, proses pembakaran diharapkan terjadi pada tekanan konstan dan menghasilkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi. Anggapan proses pembakaran tekanan konstan dapat diterima selama bilangan Mach, dari aliran gas di dalam ruang bakar cukup rendah. Bentuk ruang bakar ditunjukkan pada gambar 6 – 6 dibawah ini.

Gambar 6 – 6. Bentuk ruang bakar dan letaknya

Bilangan Mach, M, adalah kecepatan dibagi kecepatan suara dalam fluida yang bersangkutan;

M = C/. ……………………………………………………….. (6 – 1)

Apabila M < m =" 0"> 1 menyatakan aliran supersonic.

Udara dari kompresor masuk ke dalam ruang bakar di mana bahan bakar disemprotkan ke dalam arus udara sehingga terbakar dengan oksigen dari udara. Proses pembakaran terjadi secara kontinu sehingga temperature gas pembakaran harus dibatasi sesuai dengan kekuatan material yang dipergunakan, terutama material sudu turbin. Hal tersebut perlu dilaksanakan karena kekuatan material akan turun dengan naiknya temperature. Tekanan ruang bakar berkisar antara 2,4 – 10 atm. Sedangkan temperature gas pembakaran ke luar dari ruang bakar berkisar antara 400 – 1.100 ⁰C. Untuk membatasi temperature gas pembakaran ke luar dari ruang bakar maka system turbin gas memerlukan jumlah udara berkelebihan. Perbandinan berat bahan bakar – udara dapat berkisar antara

ƒ =

Jadi, sangat randah jika dibandingakan dengan terjadi pada motor bakar torak. Perbandingan berat bahan bakar udara stoikiometrik untuk proses pembakaran hidrokarbon kira-kira 1/14 – 1/16 saja. Selain dari jumlah udara berkelebihan tersebut di atas diperlukan untuk menyempurnakan proses pembakaran dalam waktu yang sesingkat-singkatnya, mendinginkan bagian-bagian ruang bakar dan mengusahakan distribusi temperature gas pembakaran ke luar ruang bakar yang homogen agar sudu turbin tidak dikenai tegangan termal yang terlalu besar.

Oleh karena dalam kenyataan sukar terjadi pembakaran sempurna dan tak dapat decegah kerugian kalor dari ruang bakar, tidak semua energi bahan bakar dapat dimamfaatkan untuk menaikkan temperature fluida kerja. Disamping itu, terdapat pula kerugian gesekan antara gas pembakaran dengan bagian ruang bakar, sehingga terjadi sedikit penurunan tekanan,

ΔP = (P₂ –P₃) …………………………………………………………… (6 – 2)

Dimana,

…………………………………………………… (6 – 3)

Efisiensi ruang bakar didefinisikan sebagai,

η_B’ = ……………………………………………………….. (6 – 4)

…………………………………………………….. (6 – 5)

dimana,

G_ud, G_bb = Berturut-turut menyatakan berat udara dan berat bahan bakar yang mengalir per satuan waktu

G = G_ud + G_bb= Berat gas pembakaran mengalir per satuan waktu

f = = Perbandingan bahan bakar udara

Q_bb = Nilai kalor bawah (lower heating value) dari bahan bakar; Untuk Bahan bakar hidrokarbon,

Q_bb 9,000 - 10,000

Tetapi; karena f < < 1, maka persamaan untuk efesiensi ruang bakar dapat dituliskan sebagai:

η_B= ………………………………………………………. (6 – 6)

7.5. PROSES EKSPANSI DI DALAM TURBIN

Dengan idealisasi yang sama dengan kompresor, maka dari persamaan energi yang umum untuk proses aliran tunak (steady) kerja yang dihasilkan oleh turbin adalah:

w_Ts= w_{3 –} _4s = J (h_t3 - h_t4s) ……………………………………………. (6 – 7)

Dalam keadaan sebenarnya proses ekspansi di dalam turbin pun tidak berlangsung isentropic karena adanya kerugian gesekan, perpindahan kalor, kebocoran, dan sebagainya. Oleh karena itu kondisi fluida kerja keluar dari turbin penurunan entalpi lebih rendah. Besarnya efisiensi (η_T) dari turbin tergantung daripada jenis turbin, ukuran, dan jumlah tingkatnya. Efisiensi turbin impuls bertingkat tunggal dapat mencapai 80 – 84%. Sedangkan efisiensi turbin bertingkat ganda, baik impulls maupun reaksi, dapat mencapai 88 – 90%.

Dengan adanya kerugian tekanan di dalam ruang bakar maka perbandingan ekspansi, (P₃/P₄), lebih rendah daripada perbandingan tekanan kompresi. Dengan menaikkan temperature gas masuk turbin diharapkan dapat diperoleh efisiensi system turbin gas yang lebih tinggi. Hal tersebut dapat dilaksanakan dengan mendinginkan sudu-sudu.

7.6. MODIFIKASI SIKLUS BRAYTON

Dalam instalasi yang sebenarnya banyak ditemui kerumitan yang harus diperhitungkan, walaupun perhitungan secara tiori dapat menghasilkan efisiensi yang cukup namun akan berbeda dalam praktek yang sebenarnya. Walaupun siklus turbin-gas sederhana dari segi ekonomi memadai untuk berbagai tujuan, seperti pengisi beban-puncak dan angkutan jet, namun untuk unit beban siklus dan beban dasar diperlukan modifikasi terhadap siklus brayton. Tujuan modifikasi ini adalah untuk meningkatkan keluaran kalornya dan efisiensinya. Modifikasi yang dapat dilakukan adalah dengan melakukan:

1. Regenerasi

2. Pendinginan-sela (intercooler) kompresor

3. Pemanasan-ulang turbin

4. Injeksi air

Ke empat jenis modifikasi tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Regenerasi

Regenerasi sebagaimana pada siklus uap, adalah pertukaran-kalor internal di dalam siklus itu sendiri. Dalam siklus-Brayton, temperature pada titk 4 (T₄₎ biasanya lebih tinggi daripada titik 2 (T₂) dan kalor ditambahkan dari titk 2 ke titk 3 (gambar 6-6). Jadi, regenerasi digunakan untuk pemanasan-awal gas mampat pada titik 2 oleh gas-buang pada titik 4 di dalam penukar kalor yang disebut regenerator. Gambar tersebut memperlihatkan penataan demikian untuk siklus tertutup, yang cocok untuk He, tetapi juga dapat digunakan secara efektif untuk siklus terbuka dengan udara.

Gambar 6-6.

Siklus dengan Regenerasi

Jika regenerator itu 100 persen efektif suhu-gas masuk ruang-bakar atau reaktor nuklir akan naik dari T₂ menjadi T_2”. Kerja noto didalam siklus akan tetap, kecuali ada pengaruh tambahan susut-tekanan di dalam regenerator. Tetapi penambahan kalor secara nyata akan berkurang dari H₃ – H₂ menjadi H₃ – H_2”, dan efisiensi siklus meningkat sesuai dengan itu. Dalam kenyataanya, efisiensi regenerator tidak pernah mencapai 100 persen, dan gas-gas yang dimampatkan dipanaskan dari pada suhu yang lebih rendah. Efektifitas regenerator, ε_R, didefinisikan sebagai rasio perubahan-suhu sebenarnya yang maksimum yang mungkin dicapai.

Pengaruh penambahan regenerator terhadap efisiensi cukup besar dan rasio-tekanan optimum untuk efisiensi itu bergeser kenilai yang lebih rendah. Oleh karena siklus turbin gas regenerasi lebih efisien daripada turbin-gas sederhana, dan karena itu dapat mengurangi konsumsi bahan-bakar sampai 30 persen atau lebih, siklus ini dewasa ini banyak digunakan oleh utilitas untuk memenuhi tugas-bersiklus di samping juga untuk membantu beban-dasar menggerakkan pompa, kompresor, dan sebagainya.

2. PENDINGIN SELA KOMPRESOR (INTERCOOLER)

Kompresor yang bekerja antara titik 1 dan titik 2 Gambar 6 - 6 di atas akan menghabiskan kerja lebih banyak jika gas makin mendekati titik 2. Oleh karena itu kerja kompresor adalah negatif dan merupakan pengurangan terhadap kerja-siklus netto, maka akan lebih menguntungkan jika temperature (T) diusahakan tetap rendah pada waktu mendekati tekanan P₂ yang didinginkan.

Hal ini dapat dicapai secara teoritis dengan mendinginkan gas-mampat itu secara terus menerus supaya tetap pada suhu T₁, seperti terlihat pada garis putus-putus horizontal yang di bawah pada Gambar 6 -7 di bawah ini.

Gambar 6 -7.

Siklus Dengan Interccooler dan reheater.

Namun secara fisik, ini tidak mungkin dilakukan; tetapi dapat dilakukan secara bertahap. Gambar 6-7 diatas melukiskan kompresi dan ekspansi ideal (isentropic) demi penyederhanaan, menunjukkan dua tahap pendinginan-sela (intercooling) dimana gas dikompresi sebagian dari 1 ke 2, didinginkan kembali ke 1^’ pada tekanan tetap (ideal), dikompresi kembali ke 2, kemudian^’ didingin selakan ke 1^”. Secara ideal T₁ = T_1’= T_1” Dalam hal itu terdapat tiga bagian kompresor yang beropersi berurutan bersama-sama (tandem) dengan kerja yang sama besar.

Karena operasinya pada suhu yang lebih rendah, maka akan meningkatkan kinerja. Kalor yang ditambahkan juga meningkat, namun peningkatan kerja-siklus lebih besar dari penambahan kalor, sehingga efisiensi meningkat. Pendingin-sela dapat berupa penukar-kalor berpendinginan-udara, tetapi biasanya menggunakan pendingin air.

3. PEMANASAN ULANG TURBIN (REHEATER)

Kerja kompresor dapat diturunkan dengan menjaga suhu gas didalam kompresor agar tetap rendah; juga kerja turbin dapat ditingkatkan dengan menjaga suhu gas di dalam turbin tetap tinggi. Hal ini juga dapat dilakukan secara teoritis dengan memanaskan gas itu terus-menerus selama berekspansi di dalam turbin, seperti ditunjukkan oleh garis putus-putus di sebelah atas pada Gambar 6-7 di atas. Disini juga pemanasan secara terus menerus tidaklah praktis, dan pemanasan ulang itu dilakukan secara bertahap. Pada Gambar tersebut terlihat di bagian turbin dan satu tahap pemanasan ulang, gas berekspansi di dalam bagian turbin bertekanan-tinggi dari 3 ke 4, dan dipanaskan kembali pada tekanan tetap (secara ideal) ke 3’, dan akhirnya berekspansi di dalam bagian turbin bertekanan-rendah ke 4’; Untuk T₃ = T_3’dan T₄ = T_4’. Makin banyak tahap pemanasan-ulang dan pendinginan-sela, makin tinggi efisiensi. Namun hal ini dicapai dengan peningkatan biaya-investasi dan ukuran-instalasi. Perancangan instalasi harus diusahakan seoptimum mungkin, dengan memperhatikan biaya investasi terhadap biaya-operasi (bahan- bakar dan sebagainya) dan besarnya ukuran-instalasi.

4. INJEKSI AIR

Injeksi air merupakan suatu metode untuk meningkatkan keluaran-daya-siklus turbin-gas secara nyata di samping meningkatkan efisiensi sedikit. Pada beberapa unit propulsi pesawat terbang dan sebagian stasioner, air diinjeksikan ke dalam kompresor dan menguap bersamaan dengan naiknya suhu udara karena proses pemampatan, sehingga kerja kompresor berkurang. Efeknya sama dengan menggunakan pendingin-sela .

Gambar 6 - 8. Siklus dengan Injeksi air

Pada siklus turbin gas yang mempunyai regenerator, injeksi air lebih bermanfaat jika diinjeksikan di antara kompresor dan regenerator. Metode ini dapat digunakan baik untuk unit satu-poros maupun unit dua-poros. Pada Gambar6-8 terlihat skema unit dua-poros dengan injeksi air antara kompresor dan regenerator. Udara tekan yang dingin pada 3 lalu diberi pemanasan-awal hampir menyamai 4 (sebetulnya sedikit saja berkurang dari itu). Kalor yang perlu ditambahkan untuk memanaskan udara lembab itu kembali dari 3 ke 2 diperoleh dari gas-buangan dengan kalor dari 9’ dan 9 yang mestinya terbuang dari siklus itu. Jadi 9 merupakan suhu-buangan yang baru. Air masuk bisa mengalami pemanasan-awal oleh gas pada 9 sebelum diinjeksikan, atau bisa juga tidak.

Kuantitas uap-air yang harus diinjeksikan harus cukup untuk membuat udara-tekan jenuh pada T₃_.Bila airnya terlalu banyak akan terdapat cairan yang terbawa. Ini walaupun meningkatkan kerja sedikit, juga menyebabakan efisiensi berkurang dibandingkan dengan udara-jenuh dan dapat mengotori regenerator, menimbulkan beda-suhu local yang terlalu besar serta tegangan termal yang diakibatkannya.

Kenaikan kerja pada instalasi turbin yang menggunakan injeksi-air sebagian adalah akibat kenaikan kerja turbin karena kenaikan laju aliran-massa udara dan uap air tanpa disertai oleh kenaikan kerja kompresor. Kenaikan massa itu berasal dari uap-jenuh pada titik 3 (gambar 4-19) dikurangi dengan uap air yang semula ada di udara pada titik 1.

C0NTOH SOAL

1. Helium dipergunakan sebagai fluida kerja dalam siklus brayton. Gas masuk kompresor pada 27 ^oC dan 20 bar dan dikeluarkan pada 60 bar. Gas dipanaskan ke 1000 ^oC saat melewati sumber kalor sebelum diekspansikan melalui turbin. Precooler mengembalikan gas buang turbin ke keadaan sebagaimana keadaan saat masuk kompresor.

Tentukan :

a. Temperatur akhir kompresi dan ekspansi

b. Kalor masukan, kalor buang dan kerja bersih tiap kg He

c. Effisiensi thermal dan laju kalor siklus.

Penyelesaian:

Temperatur akhir kompresi adalah :

= (27 = 273) = 456.6 K

Temperatur akhir ekspansi :

T₄ = T₃ = (1000 + 273) = 820.2 K

Kalor yang ada sebagai sumber kalor sebagai kalor masukan

q_s = h₃ – h₂ = c_p (T₃ – T₂)

= 5.1026 (1272 – 465.6) = 4192.5 kJ/kg

Kalor yang dibuang oleh precooler

q_s = h₁ – h₄ = c_p (T₁ – T₄)

= 5.1026 (300 – 820.2) = 1491.3 kJ/kg

Effisiensi thermal adalah :

= = 0.3557

Laju kalor siklus adalah :

H_t _rate = = = 10121 kJ/kW

Siklus turbin gas yang sebenarnya menggunakan komponen aktual sehingga perhitungan sebagaimana siklus brayton diatas tidaklah menunjukkan kondisi yang sebenarnya; oleh karena itu contoh berikut ini memasukkan pengaruh kerugian tekanan dan efisiensi mesin turbo pada unjuk kerja siklus.

Contoh Soal

2. Berapa besar efesiensi termal siklus ideal turbin gas regeneratif dengan 2 tingkat kompresor dengan intercooler dan pemanas ulang tunggal (reheater) ? Helium memasuki kompresor pada 20 bar dan 27 ^oC dan meninggalkan kompresor pada 20 bar. Gas masuk turbin pada temperatur 1000 ^oC.

Penyelesaian :

= 0.706

Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa dengan memasukkan lebih banyak tingkat kompresi dan ditambah pemanas ulang, maka dapar membuat effisiensi siklus meningkat hingga mendekati effisiensi siklus carnot.

Contoh Soal

3. Siklus turbin gas jet propulsi udara masuk kompresor pada 0.1 Mpa, pada suhu 15 ^oC. Tekanan meninggalkan kompresor sebesar 0.5 Mpa dengan temperatur 900 ^oC. Udara di ekspansi didalam turbin sehingga kerja turbin sebanding dengan kompresor. Sesudah meninggalkan turbin, udara diekspansi dalam nozel hingga tekanan 0.1 Mpa. Tentukan kecepatan udara meninggalkan nozel (pipa pancar) ?

Penyelesaian :

Temperatur akhir kompresi adalah :

= (15 + 273) = 456.6 K

Kerja turbin (w_t) = kerja kompresor (w_c)

w_c = w_t = c_p (T₁ – T₂) = 169 kJ/kg

w_t = c_p (T₃ – T₄) = 169 kJ/kg

Temperatur akhir ekspansi keluar turbin

T₄ = T₃- = (900 + 273) - = 1004.8 K

Temperatur akhir ekspansi dalam turbin

= (0.5) = 0.2907 Mpa

Kecepatan gas keluar nosel adalah :

= (1004) = 740 K

V₅² = 2 c_p (T₄ – T₅)

V₅² = 2 x 1000 x 1.0035 x (1004 – 740.4)

V₅ = 728.5 m/s.

RANGKUMAN

Gas panas yang keluar dari pembakar di ruang bakar atau reaktor berpendingin-gas dapat dipakai langsung sebagai fluida-kerja. Caranya ialah dengan membuat gas-panas itu berekspansi di dalam turbin gas. Oleh karena itu siklus turbin gas bisa berupa siklus langsung atau siklus tak langsung, dan siklus terbuka atau siklus tertutup. Berikut ini beberapa kemungkinan kombinasi itu: siklus- terbuka langsung (direct-open cycle), siklus terbuka tak-langsung (indirect open cycle), siklus-tertutup langsung (direct closed cycle), siklus-tertutup tak-langsung (indirect closed cycle). Siklus turbin gas sederhana yang standar dinamakan dengan siklus Brayton.

Siklus system turbin gas yang sebenarnya menyimpang dari siklus yang ideal (siklus udara standart). Hal ini disebabkan oleh proses kompresi dan ekspansi tidak terjadi secara isentriopik, juga fluida kerja yang digunakan bukanlah gas ideal dengan kalor spesifik (C_p) yang konstan. Disamping itu penurunan tekanan di dalam ruang bakar atau alat pemanas dan pendinginan tidak dapat di hindari. Sedangkan Proses pembakaran adalah sama dengan proses pemasukan kalor pada siklus Brayton. Jadi, proses pembakaran diharapkan terjadi pada tekanan konstan dan menghasilkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi.

Walaupun siklus turbin-gas sederhana dari segi ekonomi memadai untuk berbagai tujuan, seperti pengisi beban-puncak dan angkutan jet, namun untuk unit beban siklus dan beban dasar diperlukan modifikasi terhadap siklus brayton. Tujuan modifikasi ini adalah untuk meningkatkan keluaran kalornya dan efisiensinya. Modifikasi yang dapat dilakukan adalah dengan melakukan: regenerasi, pendinginan-sela (intercooler) kompresor, pemanasan-ulang turbin, dan injeksi air.

SOAL POST TES MODUL 7