Siklus Daya Gas (Brief)

8/10/2019 Siklus Daya Gas (Brief)

1/87

1. Bab 9 : Siklus Daya Gas

9-1 Pertimbangan Dasar dalam Analisis Siklus Gas

9-2 Siklus Carnot & Maknanya dalam Bidang Rekayasa

9-3 Asumsi Udara Standar

9-4 Tinjau Ulang Mesin Reciprocating

9-5 Siklus Otto : Siklus Ideal untuk Mesin Bensin(Spark-Ignition Engines)

9-6 Siklus Diesel : Siklus Ideal untuk Mesin Diesel

(Compression-Ignition Engines)

9-7 Siklus Brayton : Siklus Ideal untuk Turbin Gas

- Pengembangan Turbin Gas- Deviasi Siklus Turbin Gas Aktual & Ideal

9-8 Siklus Brayton dengan Regeneration

9-9 Siklus Brayton dengan Intercooling, Reheating, dan Regeneration


2/87

Pendahuluan

Siklus Daya Gas

Siklus Termodinamika dapat dibagi menjadi 2 golongan

siklus, yaitu :

1. Siklus Daya(Power Cycles) dan

2. Siklus Refrigerasi(Refrigeration Cycles)

Berdasarkan Fasa dari Fluida Kerja, siklus

Termodinamika juga dapat digolongkan sebagai :1. Siklus Daya Gas(Gas Cycles) dan

2. Siklus Daya Uap(Vapor Cycles)


3/87

Efisiensi Termal

Mesin Kalor (Heat Engine)didesain untuk

mengkonversi energi termal menjadi kerja

berguna.

Ukuran unjuk kerjasuatu mesin kalor

dinyatakan sebagai

Efisiensi Termal(hth),yang dapat dirumuskan sebagai :


4/87

Diagram P-v & T-s

Pada diagram P-v dan T-s

luas daerahyang dilingkupi kurva proses suatu siklus

menggambarkan kerja nettoyang diproduksi selama siklus.


5/87

9-2 Siklus Carnot & Maknanya

dalam Bidang Rekayasa

Siklus Carnot terdiri dari 4 proses yaitu :

1. Proses pemasukan kalorsecara isothermal

2. Proses ekspansi isentropic

3. Proses pembuangan kalor secara isothermal4. Proses kompresi isentropik


6/87

Efisiensi Carnot

Peningkatan Efisiensi Carnotdapat dilakukan

dengan :

1. Menurunkan TL

2. Menaikkan TH


7/87

EXAMPLE 91

Penurunan Efisiensi Siklus Carnot

Tunjukkan bahwa efisiensi siklus carnot

beroperasi antara batas suhu TH dan TL


8/87

Pemasukan Kalor (qin) :

Pengeluaran Kalor (qout) :

Efisiensi Carnot (hth) :


9/87

Asumsi Udara Standar Siklus daya gas aktual relatif komplekssehingga untuk

mempermudah analisisditerapkan asumsi udara standard (air-standard assumptions)sebagai berikut :

1. Fluida kerja adalah udara & diperlakukan sebagai

gas ideal

2. Seluruh proses diidealisasi sebagai proses reversible

(proses ideal)

3. Proses pembakaran diganti dengan proses

penambahan kalor dari sumber kalor luar

4. Proses pengeluaran diganti dengan proses

pembuangan kalor yang mengalirkan fluida kerja

ke kondisi awal siklus.


10/87

Asumsi Udara Standar

Asumsi Lain:

Coldair-standardassumptions

Jika kalor jenisdianggap konstan &diterapkan pada suhukamar 25 oC


11/87


Top dead center (TDC)

posisi piston saat terbentuk volumeterkecil dalam silinder

Bottom dead center (BDC)

posisi piston saat terbentuk volumeterbesar dalam silinder

Stroke (Displacement)dari Engine

jarak terbesar dari pergerakan pistonantara TDC dan BDC

Borediameter piston

Intake ValveKatup Hisap

Exhaust ValveKatup Buang


12/87


Clearance Volume

volume minimum yangterbentuk saat piston berada padaTDC

Displacement Volume

volume antara TDC dan BDC

Compression Ratio (r)rasio

volume maksimum & volumeminimum yang terbentuk


13/87

MEP

(Mean Effective Pressure)

Tekanan rata-rata fiktifyang menghasilkan kerja netto


14/87

Mesin Bensin & Mesin Diesel

Berdasarkan bagaimana proses pembakaran terjadi dalam silinder,

Mesin Reciprocatingdapat digolongkan sebagai :

1. Spark - Ignition (SI) engines

2. Compression - Ignition (CI) engines

Pada Mesin Bensin (SI engine)pembakaran campuran bahan bakarudara dibantu dengan penyalaan

busi (spark plug)

Pada Mesin Diesel (CI engine)

campuran bahan bakar

udara terbakar sendiri akibat kompresi udara diatas suhu penyalaan campuran bahan bakar udara (self ignitiontemperature)

Siklus OttoSiklus Ideal Mesin Bensin

Siklus DieselSiklus Ideal Mesin Diesel


15/87

9-5 Siklus Otto

Siklus Ideal untuk Mesin Bensin 4 Langkah


16/87

Proses-Proses pada Siklus Otto

Siklus Otto ideal terdiri dari 4 proses, yaitu :

1-2 Isentropic compression

2-3 Constant-volume heat addition

3-4 Isentropic expansion

4-1 Constant-volume heat rejection


17/87

Analisis Termal Siklus Otto

Kesetimbangan Energi:

Perpindahan Kalor masuk & keluar dari

fluida kerja :

Efisiensi Termal Siklus Otto Ideal

(dgn asumsi cold air standard) :


18/87

Analisis Termal Siklus Otto

Proses 1-2 dan 3-4 adalah isentropik,

Dan v2 = v3 dan v4 = v1

Sehingga :

Substitusi persamaan-persamaan ini ke

hubungan efisiensi termal menghasilkan :


19/87

Hubungan

Rasio Kompresi (r) vs Efisiensi Termal (th)


20/87

EXAMPLE 92

Siklus Otto IdealSuatu siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi r =

8.Pada awal proses kompresi, udara pada 100 kPadan 17C, dan kalor sebesar 800 kJ/kg ditransferselama proses penambahan kalor pada volume

konstan. Dengan mempertimbangkan variasi kalorjenis udara terhadap suhu, tentukan :

(a) Suhu & Tekanan maksimum

(b) Kerja Keluaran Netto(c) Efisiensi Termal, dan

(d) MEP (Mean Effective Pressure)


21/87

EXAMPLE 92

Siklus Otto IdealSuatu siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi r =

8.Pada awal proses kompresi, udara pada 100 kPadan 17C, dan kalor sebesar 800 kJ/kg ditransferselama proses penambahan kalor pada volume

konstan. Dengan mempertimbangkan variasi kalorjenis udara terhadap suhu, tentukan :

(a) T3= 1575,17 K, P3= 4345,3 kPa

(b) wnet= 418,25 kJ/kg(c) Otto= 52,28 %

(d) MEP = 574,31 MPa


22/87

EXAMPLE 92

Siklus Otto Ideal


23/87

(a) Suhu & Tekanan maksimum pada siklus Otto terjadi pada

Kondisi 3 (proses penambahan kalor pada V = konstan).

Namun, mula-mula perlu ditentukan Suhu & Tekanan udara pada akhir

proses kompresi (Kondisi 2) & informasi pada kondisi awal (Kondisi 1).

Dengan Tabel A-17 (Tabel Udara), didapatkan :

Proses 1-2(Kompresi Isentropik Gas Ideal) :

Pers. Gas

Ideal


24/87

Proses 2-3 (Proses Penambahan Kalor pada V = konstan) :

Dengan T3:

Pers. Gas

Ideal


25/87

(b) Kerja Keluaran Nettodidapat dengan Kesetimbangan Energi.

Mula-mula ditentukan dahulu energi dalam udara pada Kondisi 4.

Proses (Proses Pembuangan Kalor pada V = konstan) :

Sehingga :

Proses 3-4 (Proses Ekspansi Isentropik Gas Ideal) :


26/87


27/87

(d ) MEP (Mean Effective Pressure):

Sehingga :

dengan :


28/87

9-6 Siklus Diesel

Siklus Ideal untuk Mesin Diesel

(Compression-Ignition Engines)


29/87

Kesetimbangan energi untuk Proses 2 3 :

Kesetimbangan energi untuk Proses 4 1 :

Sehingga, efisiensi termal mesin Diesel sbb :Cut-Off ratio (rc) :

Atau :Untuk rc= 1


30/87


31/87

EXAMPLE 93

Siklus Diesel Ideal

Suatu siklus Diesel ideal dengan udara sebagai fluida

kerja mempunyai rasio kompresi 18 dan rasio cut-off

sebesar 2. Pada awal proses kompresi, fluida kerja pada

kondisi 14.7 psia, 80F, dan 117 in3.Dengan menggunakan asumsi cold-air standard,

tentukan:

(a) Suhu & Tekanan udara pada akhir tiap proses,

(b) Kerja keluaran netto & efisiensi termal, dan

(c) MEP (Mean Effective Pressure).


32/87

EXAMPLE 93

Siklus Diesel Ideal

Suatu siklus Diesel ideal dengan udara sebagai fluida

kerja mempunyai rasio kompresi 18 dan rasio cut-off

sebesar 2. Pada awal proses kompresi, fluida kerja pada

kondisi 100 kPa, 27C, dan 1920 cm

3

.Dengan menggunakan asumsi cold-air standard,

tentukan:

(a) Suhu & Tekananudara pada akhir tiap proses,

(b) Kerja keluaran netto

(c) Efisiensi termal

(c) MEP (Mean Effective Pressure)


33/87

Jawab :

Asumsi :

1. Cold

air - standard assumption sehingga

udara dapat diasumsikan mempunyai kalor

jenis konstan pada suhu kamar.

2. Perubahan Energi Kinetik & Potensial

diabaikan

Sifat-Sifat Table A2E.a

Konstanta spesifik udara,R = 0.3704 psia ft3/lbm R dan

sifat-sifat lain pada suhu kamar :cp = 0.240 Btu/lbm R,

cv = 0.171 Btu/lbm R, dan

k = 1.4


34/87

Analisis

DiagramP-V dari siklus Diesel ideal dapat dilihat pada gambar dibawah.

Catat bahwa udara berada dalam silinder sehingga membentuksistem tertutup.


35/87

(a) Nilai Suhu & Tekanan pada akhir tiap proses dapatditentukan dengan hubungan isentropik gas idealuntuk proses 1-2 dan 3-4.

Namun, mula-mula ditentukan Volume pada akhirtiap prosesdari definisi rasio kompresi (r) dan

rasio cut-off (rc) :


36/87


37/87


38/87

Proses 4-1 adalah proses pembuangan kalor pada V = konstan (tidak ada iteraksi

kerja).

Jumlah kalor yang dibuang sebesar :

Sehingga,

Efisiensi termal menjadi :


39/87

(c) MEP (Mean Effective Pressure) ditentukan dari :

Diskusi

Catat bahwa suatu tekanan konstan 110 psia selama siklus akan menghasilkan kerja

keluaran netto yang sama.

Efisiensi termal siklus Diesel ideal dengan asumsi cold-air-standard dapat juga

ditentukan dari persamaan :

9 8 Sikl B t


40/87

9-8 Siklus Brayton

Siklus Ideal untuk Turbin Gas


41/87


42/87

Sehingga, efisiensi siklus Brayton :

Rasio Tekanan :


43/87


44/87

BWR (Back Work Ratio)


45/87

EXAMPLE 95

Siklus Brayton I deal Sederhana

Suatu PLTGyang beroperasi pada siklus Brayton ideal

mempunyai rasio tekanan 8. Suhu gas masuk

kompresor 300 K dan suhu masuk turbin 1300 K.Dengan asumsi udara standar, tentukan :

(a) Suhu gaspada sisi keluar kompresor & turbin,

(b) BWR (Back Work Ratio)dan(c) Efisiensi Termal


46/87

Jawab :

Asumsi :

1. Kondisi operasi tunak (steady)

2. Asumsi udara standard

3. Perubahan energi kinetik &

energi potensial diabaikan

4 Variasi kalor jenis terhadap suhu

dipertimbangkan


47/87

Analisis

Diagram T-s siklus Brayton ideal dapat dilihat pada gambar dibawah.

Catat bahwa komponen yang terlibat dalam siklus Brayton adalahjenis peralatan dengan kondisi aliran tunak.


48/87

(a) Suhu udara pada sisi keluar kompresor & turbin ditentukan dari hubungan

isentropik :

Proses 1-2 (Kompresi Isentropik gas ideal):

Proses 3-4 (Ekspansi Isentropik gas ideal):


49/87

(b) BWR (Back Work Ratio) dapat ditentukan dengan menghitung dahulu Kerja

masukan Kompresor & Kerja Keluaran Turbin :

Sehingga :

BWR sebesar 0,403 dapat diartikan bahwa 40,3 % daya keluaran turbin

digunakan untuk menggerakkan kompresor.


50/87

(c) Efisiensi Termal adalah rasio antara Daya Keluaran Netto dengan Kalor

Masukan Total :

Sehingga :

Efisiensi Termal dapat pula ditentukan dari :

dengan :


51/87

Diskusi

Dengan asumsi cold-air-standard (nilai kalor jenis tetap pada suhu kamar),

efisiensi termal sebesar :

Hasil ini cukup dekat dengan nilai yang ditentukan dengan variasi kalor jenis

terhadap suhu.

D i i Sikl T bi G


52/87

Deviasi Siklus Turbin Gas

Aktual & Ideal

Efisiensi Isentropik Kompresor :

Efisiensi Isentropik Turbin :

EXAMPLE 9 5


53/87

EXAMPLE 95

Siklus Brayton I deal Sederhana

Suatu PLTG yang beroperasi pada siklus Brayton ideal

mempunyai rasio tekanan 8. Suhu gas masuk kompresor

300 K dan suhu masuk turbin 1300 K.

Dengan asumsi udara standar, tentukan :

(a) Suhu gas pada sisi keluar kompresor & turbin,

(b) BWR (Back Work Ratio) dan(c) Efisiensi Termal

EXAMPLE 9 6


54/87

EXAMPLE 96

Siklus Turbin Gas Aktual

Suatu PLTG yang beroperasi pada siklus Brayton aktual

mempunyai rasio tekanan 8. Suhu gas masuk kompresor

300 Kdan suhu masuk turbin 1300 K.

Dengan mengasumsikan efisiensi kompresor 80% dan

efisiensi turbin 85%, serta asumsi udara standar, tentukan:

(a) BWR (Back Work Ratio),

(b) Efisiensi Termal, dan

(c) Suhu keluar turbin


55/87

Analisis :

(a) Diagram T-s siklus Brayton aktual :


56/87

Kerja Kompresor & Turbin aktual ditentukan dengan menggunakan definisi

efisiensi kompresor & efisiensi turbin, yaitu :

Kompresor :

Turbin :

Sehingga :

Nilai BWR = 0,592 berarti sekarang kompresor mengkonsumsi 59,2%

dari kerja keluaran turbin (nilai BWR naik dari kondisi ideal sebesar40,3%).

Kenaikan ini disebabkan irreversibilitas yang terjadi di dalam kompresor

& turbin.


57/87

(b) Pada kasus ini, udara keluar kompresor pada suhu & entalpi yg lebih tinggi, yg

dapat ditentukan sbb :

Sehingga :

dan

Irreversibilitas terjadi dalam turbin & kompresor sehingga efisiensi termal

turun dari 42,6% menjadi 26,6%.

Pada contoh soal ini ditunjukkan begitu sensitifnya performansi PLTG karena

efisiensi kompresor & turbin.


58/87

(c) Suhu udara pada sisi keluar turbin ditentukan dari kesetimbangan energi pada

turbin :

Dari tabel A-17 didapat :

Diskusi

Suhu pada sisi keluar turbin lebih tinggi dari pada suhu pada sisi keluar

kompresor (T2a=598 K). Dengan ini ini dapat disarankan penggunaan

regenerator untuk mereduksi biaya bahan bakar.

9 9 Sikl B t d


59/87

9-9 Siklus Brayton dengan

Regeneration

Regenerator adalah suatu alat penukarkalor (heat exchanger) untuk

mempertukarkan kalor dari fluida panas

ke fluida dingin


60/87

Kalor Regenerator (Yang Dimanfaatkan) Aktual &

Maksimal :

Efektivitas (e) :

Atau :

Efisiensi Termal (h) :


61/87


62/87

Mula-mula ditentukan dahulu entalpi udara pada sisi keluar regenerator dengan

menggunakan definisi efektivitas :

Sehingga :


63/87

Diskusi

Catat bahwa efisiensi termal PLTG naik dari 26,6% menjadi 36,9% sebagai akibat

dari pemasangan regenerator yg membantu memanfaatkan sejumlah energi termal

dari gas buang.

Hal ini menunjukkan penghematan 220,0 kJ/kg kebutuhan masukan kalor.

Penambahan regenerator (diasumsikan tanpa gesekan), tidak mempengaruhi

keluaran daya netto. Sehingga efisiensi termal menjadi :

9-10 Siklus Brayton dengan


64/87

9 10 Siklus Brayton dengan

Intercooling, Reheating, dan Regeneration


65/87

Proses Dengan Intercooling & Reheating


66/87

C t h S l 9 8


67/87

Contoh Soal 9.8

Turbin Gas dengan Reheating dan Intercooling

Suatu siklus turbin gas ideal dengan 2 langkah kompresi & 2 langkahekspansi mempunyai rasio tekanan keseluruhan sebesar 8. Udara masuk

tiap tahap kompresor pada 300 K dan masuk pada tiap tahap turbin pada

1300 K.

Tentukan BWR (Back Work Ratio) dan efisiensi termal siklus turbin gas

ini, dengan mengasumsikan :(a) Tanpa Regenerator dan

(b) Dengan Regenerator Ideal (efektivitas 100%)

Bandingkan hasilnya dengan yg didapat dalam Contoh Soal 9-5.

Jawab :

Asumsi :

1. Kondisi operasi tunak.

2. Asumsi udara standard.

3. Perubahan energi kinetik & potensial diabaikan.


68/87

Analisis

Diagram T-s siklus turbin gas dapat dilihat pada gambar di bawah.

Catat bahwa siklus melibatkan 2 tahap ekspansi, 2 tahap kompresi &

regenerasi.


69/87

Untuk 2 tahap kompresi & ekspansi, kerja masukan diminimalkan & kerja keluaran

dimaksimalkan.

Sehingga :

dan

Udara masuk tiap tahap kompresor pada suhu yang sama & tiap tahap mempunyai

efisiensi isentropik yg sama (dalam kasus ini 100%).Maka, suhu (dan entalpi) udara pada sisi keluar dari tiap tahap kompresi akan sama.

Secara analog, diterapkan juga untuk turbin.

Sehingga :

Pada sisi inlet:

Pada sisi keluar :

D k di i i i k j k k i h k k & j k j


70/87

Dengan kondisi ini, kerja masukan ke tiap tahap kompresor akan sama & juga kerja

keluaran dari tiap tahap turbin.

(a) Tanpa Regenerator, BWR & efisiensi termal ditentukan dengan data dari

Tabel A-17 sbb :

S hi


71/87

Sehingga :

Jadi :

dan

Perbandingan hasil dari contoh soal ini dengan hasil dari contoh soal 9-5 (1 tahap


72/87

g g ( p

kompresi & ekspansi) mengungkapkan bahwa kompresi multistage dengan

intercooling & ekspansi multistage dengan reheating akan memperbaiki BWR (BWR

turun dari 40,3% menjadi 30,4%), namun efisiensi termal turun (dari 42,6% menjadi

35,8%).

Maka, intercooling dan reheating tidak dianjurkan dalam sistem PLTG jika tidak

disertai juga dengan regenerasi.

(b) Dengan Regenerator Ideal (efektivitas 100%, tanpa penurunan tekanan) tidak

mempengaruhi kerja kompresor & kerja turbin.

Maka kerja keluaran netto & BWR dari siklus turbin gas ideal adalah sama, apakah

dengan atau tanpa regenerator.

Namun demikian, regenerator akan mereduksi kebutuhan masukan kalor dengan

memanaskan awal udara yang keluar dari kompresor dengan menggunakan gas buangpans.

Dalam Regenerator Ideal, udara terkompresi dipanaskan ke suhu keluar turbin T9

sebelum masuk ke ruang bakar. Sehingga dengan asumsi udara standard, h5 = h7 = h9.


73/87

dan

Masukan kalor & efisiensi termal dalam kasus ini adalah sbb :


74/87


75/87


76/87


77/87


78/87


79/87

9-11 Siklus Jet-Propulsion Ideal


80/87

Gaya Dorong (Thrust Forcc) :

Daya Propulsive :

Efisiensi Propulsive :

Contoh Soal 9 9


81/87

Contoh Soal 9.9

Siklus PropulsiJet Ideal

Suatu pesawat terbang turbo jet terbang dengan kecepatan850 ft/s pada ketinggian (altitude) dimana udara pada

kondisi 5 psia dan 40F. Kompresor mempunyai rasio

tekanan 10 & suhu gas masuk turbin pada 2000F. Udara

masuk kompresor dengan laju 100 lbm/s. Dengan asumsicold-air-standard, tentukan :

(a) Suhu & Tekanan gas pada sisi keluar turbin

(b) Kecepatan gas pada sisi keluar nozzle

(c) Efisiensi Propulsive dari siklus ini


82/87

(a) Sebelum ditentukan suhu & tekanan pada sisi keluar turbin perlu ditentukan suhu


83/87

(a) Sebelum ditentukan suhu & tekanan pada sisi keluar turbin, perlu ditentukan suhu

& tekanan pada kondisi yg lain :

Proses 1-2 (kompresi isentropik gas ideal pada difusor):

Untuk lebih mudahnya dapat diasumsikan bahwa pesawat terbang adalah diam &udara bergerak menuju pesawat terbang dengan kecepatan V1 = 850 ft/s. Secara ideal,

udara keluar difusor dengan kecepatan yg dapat diabaikan (V2 = 0):


84/87

(b) Untuk menentukan kecepatan udara pada sisi keluar nozzle, perlu ditentukan

d h l h k l d i l & k k i b i li t k


85/87

dahulu suhu keluar dari nozzle & menerapkan keseimbangan energi aliran tunak.

Proses 5-6 (ekspansi isentropik gas ideal di dalam nozzle):


86/87

Diskusi


87/87

Perhitungan bentuk energi lain sbb :

Siklus Daya Gas (Brief)

Documents

Transcript of Siklus Daya Gas (Brief)