Modul 12 Spt2 Siklus Brayton Dan Siklus Joule [PDF]

Citation preview

SIKLUS BRAYTON DAN SIKLUS JOULE Sejarah awal Apa perbedaan antara siklus brayton dan siklus joule? Siklus Termodinamika Mesin Turbin Siklus Joule: Siklus untuk mesin udara yang diusulkan oleh Joule. Di dalamnya udara diambil oleh pompa dari ruang dingin dan dikompresi secara adiabatik sampai tekanannya sama dengan udara di ruang panas, yang kemudian dikirim, sehingga memindahkan jumlah udara panas yang sama ke dalam silinder mesin. Di sini ia mengembang secara adiabatik ke suhu ruang dingin yang akhirnya habis. Siklus ini, terbalik, digunakan dalam mesin pendingin. Saya percaya Anda tahu apa artinya "adiabatik". Brayton Cycle: Siklus termodinamika (juga disebut Joule atau siklus ekspansi penuh diesel) yang terdiri dari dua proses tekanan konstan (isobarik) yang diselingi dengan dua proses adiabatik (isentropik) yang dapat dibalik. Siklus Joule dan Brayton adalah hal yang sama! Pada tahun 1872, seorang insinyur Amerika, George Bailey Brayton memajukan studi mesin panas dengan mematenkan mesin pembakaran internal tekanan konstan, awalnya menggunakan gas menguap tetapi kemudian menggunakan bahan bakar cair seperti minyak tanah. Mesin panas ini dikenal sebagai "Motor Siap Brayton". Ini berarti mesin Brayton asli menggunakan kompresor piston dan piston expander alih-alih turbin gas dan kompresor gas. Saat ini, mesin turbin gas modern dan mesin jet air breathing juga merupakan mesin panas tekanan konstan, oleh karena itu kami menggambarkan termodinamika mereka dengan siklus Brayton. Secara umum, siklus Brayton menggambarkan cara kerja mesin panas tekanan konstan. Ini adalah salah satu siklus termodinamika paling umum yang dapat ditemukan di pembangkit listrik turbin gas atau di pesawat terbang. Berbeda dengan siklus Carnot, siklus Brayton tidak menjalankan proses isotermal, karena ini harus dilakukan dengan sangat lambat. Dalam siklus Brayton yang ideal, sistem yang menjalankan siklus mengalami serangkaian empat proses: dua proses isentropik (adiabatik reversibel) yang diselingi dengan dua proses isobarik. Karena prinsip Carnot menyatakan bahwa tidak ada mesin yang lebih efisien daripada mesin reversibel (mesin panas Carnot) yang beroperasi di antara reservoir bersuhu tinggi dan bersuhu rendah, turbin gas berbasis siklus Brayton harus memiliki efisiensi lebih rendah daripada efisiensi Carnot. Turbin gas satu siklus besar biasanya menghasilkan misalnya 300 megawatt tenaga listrik dan memiliki efisiensi termal 35-40%. Pembangkit Turbin Gas Siklus Gabungan Modern



(CCGT), di mana siklus termodinamika terdiri dari dua siklus pembangkit listrik (misalnya siklus Brayton dan siklus Rankine), dapat mencapai efisiensi termal sekitar 55%.



Siklus Brayton  



Automatic translation Contribute



Siklus Brayton adalah siklus termodinamika yang dinamai George Brayton yang menggambarkan cara kerja mesin kalor bertekanan konstan. Mesin Brayton asli menggunakan kompresor piston dan ekspander piston, tetapi mesin turbin gas yang lebih modern dan mesin jet pernafasan juga mengikuti siklus Brayton. Meskipun siklus biasanya dijalankan sebagai sistem terbuka (dan memang harus dijalankan seperti itu jika pembakaran internal digunakan), secara konvensional diasumsikan untuk tujuan analisis termodinamika bahwa gas buang digunakan kembali di intake, memungkinkan analisis sebagai tertutup. sistem. Siklus mesin dinamai menurut George Brayton (1830-1892), insinyur Amerika yang mengembangkannya pada awalnya untuk digunakan pada mesin piston, meskipun pada awalnya diusulkan dan dipatenkan oleh orang Inggris John Barber pada tahun 1791. [1] Ia juga kadang-kadang dikenal sebagai siklus Joule. Siklus Joule terbalik menggunakan sumber panas eksternal dan menggabungkan penggunaan regenerator. Salah satu jenis siklus Brayton adalah terbuka ke atmosfer dan menggunakan ruang bakar internal; dan tipe lainnya ditutup dan menggunakan heat exchanger.



Sejarah   Mesin gas Brayton 1872   Mesin balok berjalan Brayton 1872   Mesin Brayton 1875   Mesin tekanan konstan kerja ganda Brayton memotong tahun 1877   Mesin ledakan udara empat langkah Brayton 1889   Mesin ledakan udara empat langkah Brayton 1890 Pada tahun 1872, George Brayton mengajukan paten untuk "Ready Motor" -nya, mesin tekanan konstan bolak-balik. Mesinnya adalah dua langkah dan menghasilkan tenaga pada setiap putaran. Mesin Brayton menggunakan kompresor piston terpisah dan ekspander piston, dengan udara terkompresi yang dipanaskan oleh api internal saat memasuki silinder expander. Versi pertama dari mesin Brayton adalah mesin uap yang mencampurkan bahan bakar dengan udara saat memasuki kompresor dengan menggunakan karburator permukaan yang dipanaskan . [2] Bahan bakar / udara ditampung di reservoir / tangki dan kemudian dimasukkan ke silinder ekspansi dan dibakar. Saat campuran bahan bakar / udara memasuki



silinder ekspansi, itu dinyalakan oleh api pilot. Sebuah layar digunakan untuk mencegah api masuk atau kembali ke reservoir. Pada versi awal mesin, layar ini terkadang gagal dan ledakan akan terjadi. Pada tahun 1874, Brayton memecahkan masalah ledakan dengan menambahkan bahan bakar sesaat sebelum silinder expander. Mesinnya sekarang menggunakan bahan bakar yang lebih berat seperti minyak tanah dan bahan bakar minyak. Pengapian tetap menjadi nyala api pilot. [3] Brayton memproduksi dan menjual "Ready Motors" untuk melakukan berbagai tugas seperti pemompaan air, pengoperasian pabrik, menjalankan generator, dan penggerak laut. "Ready Motors" diproduksi dari tahun 1872 hingga sekitar tahun 1880-an; beberapa ratus motor seperti itu kemungkinan besar diproduksi selama periode waktu ini. Brayton melisensikan desain tersebut kepada Simone di Inggris. Banyak variasi tata letak yang digunakan; beberapa berakting tunggal dan beberapa berakting ganda. Beberapa di bawah balok berjalan; yang lainnya memiliki balok berjalan di atas kepala. Kedua model horizontal dan vertikal dibangun. Ukurannya berkisar dari kurang dari satu hingga lebih dari 40 tenaga kuda. Kritikus waktu mengklaim mesin berjalan dengan lancar dan memiliki efisiensi yang wajar. [4] Mesin siklus Brayton adalah beberapa mesin pembakaran internal pertama yang digunakan untuk tenaga penggerak. Pada tahun 1875, John Holland menggunakan mesin Brayton untuk menggerakkan kapal selam self-propelled pertama di dunia (Holland boat # 1). Pada tahun 1879, mesin Brayton digunakan untuk menggerakkan kapal selam kedua, Fenian Ram . Kapal selam John Philip Holland disimpan di Museum Paterson di Distrik Bersejarah Old Great Falls di Paterson, New Jersey . [5]   George B Selden mengendarai mobil bertenaga Brayton pada tahun 1905 Pada tahun 1878, George B. Selden mematenkan mobil pembakaran internal pertama. [6] Terinspirasi oleh mesin pembakaran internal yang ditemukan oleh Brayton yang ditampilkan di Centennial Exposition di Philadelphia pada tahun 1876, Selden mematenkan sebuah mobil roda empat yang bekerja pada versi multicylinder yang lebih kecil, lebih ringan. Dia kemudian mengajukan serangkaian amandemen atas permohonannya yang memperpanjang proses hukum, mengakibatkan penundaan 16 tahun sebelum paten [7] diberikan pada tanggal 5 November 1895. Pada tahun 1903, Selden menggugat Ford karena pelanggaran paten dan Henry Ford memperjuangkan paten Selden sampai 1911. Selden tidak pernah benar-benar menghasilkan mobil yang berfungsi, jadi selama uji coba, dua mesin dibuat sesuai dengan gambar paten. Ford berpendapat bahwa mobilnya menggunakan siklus empat langkah Alphonse Beau de Rochas atau siklus Otto dan bukan mesin siklus Brayton yang digunakan dalam mobil Selden. Ford memenangkan banding dari kasus aslinya. [8] Pada tahun 1887, Brayton mengembangkan dan mematenkan mesin oli injeksi langsung empat langkah (paten AS # 432.114 tahun 1890, permohonan diajukan pada tahun 1887). Sistem bahan bakar menggunakan pompa dengan kuantitas variabel dan bahan bakar cair, tekanan tinggi, jenis injeksi semprot. Cairan tersebut dipaksa melalui katup tipe relief (injektor) yang berisi pegas yang menyebabkan bahan bakar terbagi menjadi tetesan kecil. Injeksi diatur waktunya untuk terjadi pada atau di dekat puncak langkah kompresi. Penyala platina menjadi sumber penyalaan. Brayton mendeskripsikan penemuan ini sebagai: "Saya telah menemukan bahwa minyak berat dapat diubah secara mekanis menjadi kondisi terbagi halus di dalam bagian pembakaran silinder, atau di ruang tembak yang terhubung." Bagian lain berbunyi, "Saya telah untuk pertama kalinya, sejauh pengetahuan saya meluas, mengatur kecepatan dengan secara bervariasi mengontrol pembuangan langsung bahan bakar cair ke



dalam ruang bakar atau silinder ke dalam kondisi yang terbagi halus yang sangat menguntungkan untuk pembakaran langsung." Ini sepertinya mesin pertama yang menggunakan sistem pembakaran ramping untuk mengatur kecepatan dan output mesin. Dengan cara ini, mesin yang ditembakkan pada setiap langkah tenaga dan kecepatan serta output dikendalikan hanya oleh jumlah bahan bakar yang diinjeksikan. Pada tahun 1890, Brayton mengembangkan dan mematenkan mesin oli ledakan udara empat langkah (paten AS # 432.260). Sistem bahan bakar mengirimkan sejumlah variabel bahan bakar yang diuapkan ke pusat silinder di bawah tekanan pada atau di dekat puncak langkah kompresi. Sumber penyalaan adalah penyala yang terbuat dari kawat platina. Pompa injeksi kuantitas variabel menyediakan bahan bakar ke injektor yang dicampur dengan udara saat memasuki silinder. Kompresor kecil yang digerakkan oleh engkol menyediakan sumber udara. Mesin ini juga menggunakan sistem lean-burn. Rudolf Diesel awalnya mengusulkan kompresi yang sangat tinggi, siklus suhu konstan di mana panas kompresi akan melebihi panas pembakaran, tetapi setelah beberapa tahun percobaan, ia menyadari bahwa siklus suhu konstan tidak akan bekerja di mesin piston. Mesin diesel awal menggunakan sistem ledakan udara yang dipelopori oleh Brayton pada tahun 1890. Akibatnya, mesin awal ini menggunakan siklus tekanan konstan. [9] Sama seperti turbin uap yang merupakan adaptasi dari mesin piston uap, turbin gas merupakan adaptasi dari mesin tekanan konstan piston awal.



Sejarah turbin gas awal  



1791 Paten pertama untuk turbin gas (John Barber, Inggris Raya) 1904 Proyek turbin gas gagal oleh Franz Stolze di Berlin (kompresor aksial pertama)







1906 GT oleh Armengaud Lemale di Prancis (kompresor sentrifugal, tidak ada daya yang berguna)







1910 First GT menampilkan pembakaran yang terputus-putus (Holzwarth, 150 kW, pembakaran dengan volume konstan)







1923 Turbocharger gas buang pertama yang meningkatkan tenaga mesin diesel







1939 Turbin gas pertama di dunia untuk pembangkit listrik (Brown Boveri Company), Neuchâtel, Swiss



(velox burner, aerodinamika oleh Stodola)



Model Mesin tipe Brayton terdiri dari tiga komponen: kompresor , ruang pencampur, dan ekspander . Mesin Brayton modern hampir selalu berjenis turbin, meski Brayton hanya membuat mesin piston. Pada mesin Brayton abad ke-19 yang asli, udara sekitar dialirkan ke kompresor piston, di mana ia dikompresi ; idealnya adalah proses isentropik . Udara terkompresi kemudian mengalir melalui ruang pencampuran dimana bahan bakar ditambahkan, sebuah proses isobarik . Udara bertekanan dan campuran bahan bakar kemudian dinyalakan dalam silinder



ekspansi dan energi dilepaskan, menyebabkan udara panas dan produk pembakaran mengembang melalui piston / silinder, proses isentropik idealnya lainnya. Beberapa pekerjaan yang diekstraksi oleh piston / silinder digunakan untuk menggerakkan kompresor melalui susunan poros engkol. Turbin gas juga merupakan mesin Brayton, dengan tiga komponen: kompresor gas, pembakar (atau ruang bakar ), dan turbin ekspansi . Siklus Brayton yang ideal: 1. proses isentropik - udara sekitar ditarik ke dalam kompresor, di mana ia diberi tekanan. 2. proses isobarik - udara terkompresi kemudian mengalir melalui ruang bakar, tempat bahan bakar dibakar, memanaskan udara tersebut — proses bertekanan konstan, karena ruang terbuka untuk mengalir masuk dan keluar. 3. proses isentropik - udara yang dipanaskan dan bertekanan kemudian melepaskan energinya, berkembang melalui turbin (atau serangkaian turbin). Beberapa pekerjaan yang diekstraksi oleh turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor. 4. proses isobarik - penolakan panas (di atmosfer). Siklus Brayton yang sebenarnya: 1. proses adiabatik - kompresi 2. proses isobarik - penambahan panas 3. proses adiabatik - ekspansi 4. proses isobarik - penolakan panas   Siklus Brayton yang diidealkan dimana P = tekanan, V = volume, T = temperatur, S = entropi, dan Q = kalor yang ditambahkan atau dibuang oleh sistem. [10] Karena baik kompresi maupun pemuaian tidak dapat benar-benar bersifat isentropik, kerugian melalui kompresor dan ekspander merupakan sumber inefisiensi kerja yang tak terhindarkan. Secara umum, meningkatkan rasio kompresi adalah cara paling langsung untuk meningkatkan keluaran daya keseluruhan dari sistem Brayton. [11] Efisiensi siklus Brayton yang ideal adalah   , dimana   adalah rasio kapasitas [12] panas . Gambar 1 menunjukkan bagaimana efisiensi siklus berubah dengan peningkatan rasio tekanan. Gambar 2 menunjukkan bagaimana output daya spesifik berubah dengan peningkatan suhu masuk turbin gas untuk dua nilai rasio tekanan yang berbeda. 



  Gambar 1: Efisiensi siklus Brayton







 



Gambar 2: Output daya khusus siklus Brayton Temperatur tertinggi dalam siklus terjadi pada akhir proses pembakaran, dan hal itu dibatasi oleh temperatur maksimum yang dapat ditahan bilah turbin. Ini juga membatasi rasio tekanan yang dapat digunakan dalam siklus. Untuk suhu masuk turbin tetap, keluaran kerja bersih per siklus meningkat dengan rasio tekanan (dengan demikian efisiensi termal) dan keluaran kerja bersih. Dengan output kerja yang lebih sedikit per siklus, laju aliran massa yang lebih besar (dengan demikian sistem yang lebih besar) diperlukan untuk mempertahankan output daya yang sama, yang mungkin tidak ekonomis. Dalam desain yang paling umum, rasio tekanan turbin gas berkisar antara 11 sampai 16. [13]



Metode untuk meningkatkan kekuatan Output daya mesin Brayton dapat ditingkatkan dengan: 







Pemanasan ulang, di mana fluida kerja — dalam banyak kasus udara — mengembang melalui serangkaian turbin, kemudian dialirkan melalui ruang pembakaran kedua sebelum meluas ke tekanan sekitar melalui rangkaian turbin terakhir, memiliki keuntungan meningkatkan output daya yang mungkin untuk a rasio kompresi yang diberikan tanpa melebihi batasan metalurgi (biasanya sekitar 1000 ° C). Penggunaan afterburner untuk mesin pesawat jet juga bisa disebut sebagai "reheat"; Ini adalah proses yang berbeda di mana udara yang dipanaskan kembali diperluas melalui nosel dorong daripada turbin. Batasan metalurgi agak berkurang, memungkinkan suhu pemanasan ulang yang jauh lebih tinggi (sekitar 2000 ° C). Pemanasan ulang paling sering digunakan untuk meningkatkan daya spesifik (per aliran udara), dan biasanya dikaitkan dengan penurunan efisiensi; efek ini terutama terlihat pada afterburner karena jumlah bahan bakar ekstra yang digunakan secara ekstrim. Dalam penyemprotan berlebih, setelah tahap kompresor pertama, air disuntikkan ke dalam kompresor, sehingga meningkatkan aliran massa di dalam kompresor, meningkatkan daya keluaran turbin secara signifikan dan mengurangi suhu keluaran kompresor. [14] Pada tahap kompresor kedua, air sepenuhnya diubah menjadi bentuk gas, menawarkan beberapa pendinginan melalui panas laten penguapan.



Metode untuk meningkatkan efisiensi Efisiensi mesin Brayton dapat ditingkatkan dengan: 



Meningkatkan rasio tekanan, seperti yang ditunjukkan Gambar 1 di atas, meningkatkan rasio tekanan meningkatkan efisiensi siklus Brayton. Hal ini sejalan dengan peningkatan efisiensi yang terlihat pada siklus Otto ketika rasio kompresi dinaikkan. Namun, batasan praktis terjadi saat meningkatkan rasio tekanan. Pertamatama, meningkatkan rasio tekanan akan meningkatkan suhu pelepasan kompresor. Hal ini dapat menyebabkan suhu gas yang meninggalkan ruang bakar melebihi batas metalurgi turbin. Juga, diameter bilah kompresor menjadi semakin kecil pada tahap tekanan kompresor yang lebih tinggi. Karena jarak antara sudu-sudu dan selubung mesin bertambah besar sebagai persentase dari tinggi sudu kompresor karena diameter sudu-sudu semakin kecil, persentase udara tekan yang lebih besar dapat bocor kembali melewati sudu-sudu pada tahap tekanan yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkan penurunan efisiensi kompresor, dan kemungkinan besar terjadi pada







turbin gas yang lebih kecil (karena bilah pada awalnya lebih kecil). Akhirnya, seperti dapat dilihat pada Gambar 1, tingkat efisiensi turun dengan meningkatnya rasio tekanan. Oleh karena itu, sedikit keuntungan diharapkan dengan meningkatkan rasio tekanan lebih lanjut jika rasio tekanan sudah berada pada level yang tinggi. Recuperator [15] - Jika siklus Brayton dijalankan pada rasio tekanan rendah dan peningkatan suhu tinggi di ruang bakar, gas buang (setelah tahap turbin terakhir) mungkin masih lebih panas daripada gas masuk terkompresi (setelah kompresi terakhir) tahap tetapi sebelum ruang bakar). Dalam hal ini, penukar panas dapat digunakan untuk mentransfer energi panas dari knalpot ke gas yang sudah dikompresi, sebelum masuk ke ruang bakar. Energi panas yang ditransfer digunakan kembali secara efektif, sehingga meningkatkan efisiensi. Namun, bentuk daur ulang panas ini hanya mungkin jika mesin dijalankan dalam mode efisiensi rendah dengan rasio tekanan rendah sejak awal. Mentransfer panas dari outlet (setelah turbin terakhir) ke inlet (sebelum tahap kompresor pertama) akan mengurangi efisiensi, karena udara masuk yang lebih panas berarti lebih banyak volume, sehingga lebih banyak pekerjaan untuk kompresor. Untuk mesin dengan bahan bakar kriogenik cair, yaitu hidrogen , mungkin layak untuk menggunakan bahan bakar tersebut untuk mendinginkan udara masuk sebelum kompresi untuk meningkatkan efisiensi. Konsep ini dipelajari secara ekstensif untuk mesin SABER .







Mesin Brayton juga merupakan setengah dari sistem siklus gabungan , yang digabungkan dengan mesin Rankine untuk lebih meningkatkan efisiensi secara keseluruhan. Namun, meskipun ini meningkatkan efisiensi secara keseluruhan, ini tidak benar-benar meningkatkan efisiensi siklus Brayton itu sendiri.







Sistem kogenerasi memanfaatkan limbah panas dari mesin Brayton, biasanya untuk produksi air panas atau pemanas ruangan.



Varian Siklus Brayton tertutup   Siklus Brayton tertutup Kompresor C dan perakitan turbin T. w penukar panas suhu tinggi ʍ penukar panas suhu rendah ~ Beban mekanis, misalnya generator listrik Siklus Brayton tertutup mensirkulasi ulang fluida kerja ; udara yang dikeluarkan dari turbin dimasukkan kembali ke kompresor, siklus ini menggunakan heat exchanger untuk memanaskan fluida kerja sebagai pengganti ruang bakar internal. Siklus Brayton tertutup digunakan, misalnya, dalam turbin gas siklus tertutup dan pembangkit listrik luar angkasa.



Siklus Solar Brayton Pada tahun 2002, siklus Brayton surya hibrida terbuka dioperasikan untuk pertama kalinya secara konsisten dan efektif dengan makalah yang relevan diterbitkan, dalam kerangka program EU SOLGATE. [16] Udara dipanaskan dari 570 hingga lebih dari 1000K ke dalam



ruang bakar. Hibridisasi lebih lanjut dicapai selama proyek Solhyco UE menjalankan siklus Brayton hibridisasi hanya dengan energi matahari dan biodiesel. [17] Teknologi ini ditingkatkan hingga 4,6 MW dalam proyek Solugas yang terletak dekat Seville, di mana saat ini didemonstrasikan pada skala prakomersial. [18]



Membalik siklus Brayton Siklus Brayton yang digerakkan secara terbalik, melalui masukan kerja bersih, dan ketika udara adalah fluida kerja, adalah siklus pendinginan gas atau siklus Bell Coleman. Tujuannya adalah untuk memindahkan panas, bukan menghasilkan kerja. Teknik pendinginan udara ini digunakan secara luas pada pesawat jet untuk sistem pengkondisian udara dengan menggunakan aliran udara yang disadap dari kompresor mesin. Ini juga digunakan dalam industri LNG di mana siklus Brayton terbalik terbesar adalah untuk subcooling LNG menggunakan daya 86 MW dari kompresor yang digerakkan turbin gas dan refrigeran nitrogen. [19] SIKLUS BRAYTON



Siklus Brayton menjadi konsep dasar untuk setiap mesin turbin gas. Siklus termodinamika ini dikembangkan pertama kali oleh John Barber pada tahun 1791, dan disempurnakan lebih lanjut oleh George Brayton. ... Sisi inlet kompresor menghisap udara atmosfer, dan udara panas yang telah melewati turbin keluar ke atmosfer lagi. Siklus Brayton menjadi konsep dasar untuk setiap mesin turbin gas. Siklus termodinamika ini 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 bagi Anda 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.



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. Fenomenafenomena 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 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 12 lagi. Efisiensi Siklus Brayton



Perhitungan energi panas / kalor masuk (qin):       qin = h3  – h2 = cp ( T3 – T2 ) Perhitungan energi panas keluar (qout):       qout = h4  – h1 = cp ( T4 – T1 ) Perhitungan efisiensi termal (η  th): Ƞth =



qin  q out qin q out q   1  out = qin qin qin qin



= 1 - c p (T4  T1 ) c p (T3  T2 )



=1-



(T4  T1 ) (T3  T2 )



=1-



T1 (T4 / T1  1) T2 (T3 / T2  1)



=1-



T1 T2



......1)



Karena proses 1-2 dan 3-4 adalah isentropik, dan jika γ adalah rasio kapasitas kalor, maka: dan T1 p  ( 1 ) ( 1) /  T2 p2



              T4 p  ( 4 ) ( 1) /  T3 p3



Dan seperti diketahui bahwa P2 = P3 serta P1 = P4, maka: T1 T4 T4 T3   sehingga T2 T3 T1 T2 Sehingga persamaan (1) menjadi: T1 Ƞth = 1 =1– T2



 p1     p2 



(  1) / 



= 1 –( rp)(ᵞ - 1)/ᵞ dimana: η  th  = efisiensi termal siklus Brayton



 p1  dan rp =    p2 



T1    = temperatur udara inlet kompresor (atmosfer) T2    = temperatur udara outlet kompresor P1    = tekanan udara inlet kompresor (atmosfer) P2    = tekanan udara outlet kompresor γ      = rasio kapasitas kalor (γ udara adalah 1,4)



No. 1 CONTOH KERJA Sebuah turbin gas mengekspaniskan udara dengan laju 4 kg/det dari tekanan 12 bar dan temperatur 900oC ke 1 bar secara adiabatis dengan efisiensi isentropiknya 87%. Hitunglah temperatur gas buangnya dan daya keluarannya. γ=1.4 cp=1005 J/kg K. SOLUSI



Perubahan temperatur ideal = 1173 – 562.48 = 610.52 K Perubahan temperatur aktual = 0.87 x 610.52 = 531.15 K Temperatur gas buang (aktual) = 1173 – 531.15 = 641.85 K Persamaan keadaan energi aliran steady/merata Q + W = ΔH Karena proses adalah suatu proses adiabatis, maka Q = 0 sehingga 



W = ΔH = m cp ΔT = 4 kg/det x 1005 J/kg K x 531.15 K = 2.135 x 10 6 W (meninggalkan sistim) W(keluar) = 2.135 MW.



No. 2 CONTOH KERJA (1)



(2)



Turbin gas menggunakan siklus Joule. Perbandingan tekanan adalah 6 : 1. Temperatur masuk/inlet ke kompresor adalah 10OC. Laju aliran udara 0.2 kg/det. Temperatur pada masuk/inlet ke dalam turbin adalah 950oC. Hitunglah sebagai berikut. i. Efisiensi siklus ii. Perpindahan panas ke pemanas iii. Daya keluaran/output bersih γ = 1.4



cp = 1.005 kJ/kg K



SOLUSI



Wnett = 0.4 x 150.8 = 60.3 kW



No. 3. CONTOH KERJA Siklus Joule menggunakan perbandingan tekanan adalah 8. Hitung efisiensi standar udara. Efisiensi isentropik turbin dan kompresor keduanya adalah 90%. Tekanan rendah di siklusnya adalah 120 kPa. Temperatur terdingin dan terpanas dalam siklus adalah 20oC dan 1200oC masing-masing. Hitung efisiensi siklus dengan gesekan dan simpulkan perubahannya. Hitung daya keluaran/output nett. γ = 1.4 dan cp = 1.005 kJ/kg K. Aliran massa adalah 3 kg/det. SOLUSI Tidak ada gesekan Dengan gesekan Ƞi = 0.9 = (531-293)/(T2-293)



(Isentropik/ideal) T2 = 557.4 K



T4 = 878.7



Ƞth = 0.36 atau 36% Perubahan efisiensi adalah pengurangan sebesar 8.8% Q(in) =



cp (T3-T2) = 3x1.005x(1473-557) = 2760 kW



Daya keluaran/output nett = W(nett) = ƞth x Q(in) = 0.36 x 2760 = 994 kW