Siklus Brayton (Intercooler) S [PDF]

Citation preview

MAKALAH EFEK PENAMBAHAN INTERCOOLER PADA SIKLUS BRAYTON Disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah termodinamika 2



Disusun oleh: Rezha Nugraha



I0412043



PRODI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 DAFTAR ISI DAFTAR ISI..............................................................................................................i BAB I PENDAHULUAN..........................................................................................1



A. Latar Belakang...............................................................................................1 B. Rumusan Masalah..........................................................................................2 C. Tujuan.............................................................................................................2 BAB II PEMBAHASAN...........................................................................................3 A. Siklus Brayton................................................................................................3 B. Penerapan Siklus Brayton dalam Teknik........................................................7 BAB III PENUTUP....................................................................................................20 A. Kesimpulan....................................................................................................20 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ ii



BAB I



2



PENDAHULUAN A. Latar Belakang Pengetahuan mengenai siklus termodinamika adalah penting di dalam sistem pembangkit tenaga (seperti mesin bensin, diesel, turbin gas, dll). Mesinmesin ini menggunakan campuran bahan bakar dan udara untuk operasinya. Karena massa bahan bakar yang digunakan sangat kecil bila dibandingkan dengan massa udara, sehingga campuran diasumsikan mengikuti sifat-sifat gas sempurna. Siklus termodinamika terdiri dari urutan operasi/proses termodinamika, yang berlangsung dengan urutan tertentu, dan kondisi awal diulangi pada akhir proses. Jika operasi atau proses dilukiskan pada diagram p-v, akan membentuk lintasan tertutup. Karena daerah dibawah setiap kurva merupakan kerja yang dilakukan, sehingga kerja netto dalam satu siklus diberikan oleh daerah yang ditutupi oleh lintasan. Maka dari itu, dalam makalah ini dibahas salah satu siklus dari siklus termodinamika yaitu siklus Brayton dan efek penambahan intercooler pada siklus Brayton. B. Rumusan Masalah 1. Bagaimana penjelasan siklus Brayton? 2. Bagaimana penjelasan efek penambahan intercooler pada siklus Brayton : diagram p-v, proses yang terjadi dan effisiensi thermal? C. Tujuan 1. Untuk mengetahui penjelasan siklus Brayton. 2. Untuk mengetahui penjelasan efek penambahan intercooler pada siklus Brayton : diagram p-v, proses yang terjadi dan effisiensi thermal.



3



BAB II PEMBAHASAN A. Siklus Brayton Siklus Brayton 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.



Gambar 1 Mesin Turbojet Pesawat Terbang Untuk memudahkan memahami siklus Brayton, sangat disarankan 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



4



turbin gas akan menjadi inlet untuk kompresor. Sehingga untuk menganalisa siklus Brayton pada mesin turbojet menjadi lebih mudah.



Gambar 2 Siklus Brayton 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



5



atmosfer setelah melewati turbin. Fenomena-fenomena 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 12 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 (q in), 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 1-2 lagi.



6



Efisiensi Siklus Brayton Ideal



Gambar 3 diagram p-v dan T-s siklus Brayton ideal Keterangan : 1-2 : Kompresi secara isentropis 2-3 : Penambahan panas pada tekanan konstan 3-4 : Ekspansi secara isentropis 4-1 : Penurunan kalor pada tekanan konsstan Karena siklus berputar ke arah kanan maka fungsi dari siklus tersebut adalah mengubah energi panas menjadi energi mekanis. Penjabaran dari efisiensi siklus di atas adalah:



7



T4 −1) Qout T 4−T 1 T1 W Q¿ −Qou t ηbrayton= = =1− =1− =1− Q Q¿ Q¿ T 3−T 2 T T 2 3 −1 T2 T1(



(



)



Karena proses 1-2 merupakan proses isetropik, maka: k 1−k T 1k P1−k 1 =T 2 P 2



T 2 P1 = T 1 P2



1−k k



T 2 P2 = T 1 P1



K K−1



( ) ( )



Dan proses 3-4 isentropik, maka: k 1−k T 3k P1−k 3 =T 4 P4



T4 P = 3 T3 P4



1−k k



T 4 P4 = T3 P3



K K−1



( ) ( )



Dan karena



P1 sama dengan



P 2 P3 = P 1 P4 Apabila



T4



P4 , maka: T 2 T3 = T1 T4



maka



dipindah ke ruas kiri dam dikurang satu, maka persamaan



menjadi: T4 T −1= 3 −1 T1 T2 Maka persamaan efisiensi brayton di atas dapat diubah menjadi T1 ηbrayton=1− T2



( (



T3 −1 T2 T3 −1 T2



) )



=1−



T1 1 1 =1− =1− T2 T2 P2 K K−1 T1 P1



( )



8



B. Modifikasi Turbin Gas Dalam upaya untuk meningkatkan efisiensi dari turbin gas, modifikasi terkonsentrasi di tiga bidang: 1. Meningkatkan temperatur inlet turbin (pembakaran). 2. Meningkatkan efisiensi komponen-mesin turbo. 3. Menambahkan modifikasi pada siklus dasar (brayton) Efisiensi siklus turbin gas pada awalnya masih sederhana, namun pada perkembangannya, kini dapat hampir dua kali lipat efisiensi semula dengan memasang/ melakukan intercooling, regenerasi, dan pemanasan (reheating). Back work ratio siklus turbin gas meningkat sebagai hasil dari intercooling dan reheating. Tetapi efisiensi termalnya akan menurun. Intercooling dan reheating selalu akan menurunkan efisiensi termal kecuali mereka disertai oleh regenerasi. Hal ini karena intercooling menurunkan suhu rata-rata di mana panas yang ditambahkan, dan meningkatkan pemanasan suhu rata-rata di mana panas ditolak. Oleh karena itu, dalam pembangkit listrik gas turbin, intercooling dan pemanasan selalu digunakan bersama dengan regenerasi. C. Siklus Brayton dengan penambahan intercooling Daya yang dihasilkan turbin sebagian besar digunakan oleh kompresor. Daya ini bisa diturunkan dengan mengkompresi udara secara dua tingkat dan menggunakan intercooler diantara kedua tingkat tersebut. Pengaturan secara skematik untuk intercooler diperlihatkan oleh gambar 4.



9



Gambar 4.



Skema susunan intercooling pada turbin gas siklus tertutup.



Pertama udara dikompresi di kompresor pertama, yang disebut “kompresor tekanan rendah” (LP kompresor-#1). Karena kompresi ini, tekanan dan temperatur udara meningkat. Sekarang udara diteruskan ke intercooler (pendingin antara) yang akan menurunkan temperatur udara kompresi ke temperatur awal, tetapi tekanan tetap konstan. Setelah itu, udara kompresi sekali lagi dikompresi di kompresor kedua yang disebut sebagai “kompresor tekanan tinggi” (HP kompresor-#2). Sekarang udara kompresi diteruskan ke ruang pemanas dan kemudian ke turbin. Akhirnya udara didinginkan di ruang pendingin dan kembali di kompresi ke kompresor tekanan rendah.



Proses intercooling udara pada dua tingkat kompresi diperlihatkan dengan diagram Ts pada gambar 5.



10



Gambar 5. Diagram T-s untuk intercooling. Proses 1-2 menunjukkan pemanasan udara di ruang pemanas pada tekanan konstan. Proses 2-3 memperlihatkan ekspansi isentropik udara pada turbin. Proses 3-4 adalah pendinginan udara di ruang pendingin pada tekanan konstan. Proses 4-5 adalah kompresi udara di LP kompresor. Proses 5-6 adalah pendinginan udara pada intercooler pada tekanan konstan. Terakhir, proses 6-1 adalah kompresi udara pada HP kompresor. Kerja yang dilakukan turbin per kg udara: Wt = Cp (T2 – T3 Dan kerja yang dilakukan kompresor per kg udara: Wc = Cp [(T1 – T6) + (T5 – T4)] Kerja netto yang tersedia: W = W t – Wc Untuk pendinginan yang sempurna, tekanan antara bisa dicari dengan persamaan: p6 = p5 = √ (p1 x p4)= √ (p2 x p3)



11



Pada akhir proses kompresi pada kompresor, terjadi kenaikan temperatur dari fluida gas. Dari perumusan termodinamika didapat bahwa kenaikan temperatur sebanding dengan rasio tekanannya. Adapun persamaannya sebagai berikut : Tb/Ti = (Pd/Pi)(n-1)/n Tb = Ti (Pd/Pi)(n-1)/n dimana Tb = temperatur akhir kompresi Ti = temperatur awal kompresi pd = tekanan akhir kompresi pi = tekanan hisap kompresi n = faktor politropik ( n=1 ~n = 1,4) dan persamaan kerja dari kompresor adalah Wkompresor = Ri Ts n/(n-1)[(Tb/Ti)-1] dan untuk kerja pada kondisi isotermal, persamaannya adalah Wkompresor = Ri Ts ln(Pb/Pi) Dari perumusan temperatur dan kerja menunjukkan bahwa dengan kenaikan rasio tekanan akan menaikkan temperatur akhir dari kompresi, hal ini juga berarti kerja yang dibutuhkan kompresor naik. Kenaikan kerja kerja kompresor sangat tidak menguntungkan, karena kerja kompresor adalah negatif. Apabila kondisi ini diaplikasikan pada kompresor turbin gas pada rasio tekanan tinggi, maka akan banyak mengurangi daya dari turbin gas, hal ini akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan.



12



D. Peningkatan efisiensi isotermal pada siklus Brayton menggunakan intercooling dengan reheating dan regeneration Penurunan efisiensi isotermal pada siklus Brayton dengan penambahan intercooler diakibatkan oleh terbuangnya panas pada saat penurunan termperatur ratarata seperti yang dijelaskan pada subbab sebelumnya. Oleh karena itu dibutuhkan regenerator agar tidak ada panas yang terbuang dan meningkatkan effisiensi isotermal. Skema siklus Brayton dan diagram p-v dan t-s ini terlihat pada gambar



Gambar 6. Siklus Brayton modifikasi dengan intercooling, reheating dan regeneration.



Regenerator mengurangi panas masukan yang dibutuhkan dengan adanya proses pemanasan sebelum udara keluar dari kompresor menggunakan gas buangan



13



panas. Pada regenerator ideal udara yang terkompresi dipanaskan menuju turbin dengan dengan temperatur keluaran T9 sebelum memasuki ruang pembakaran (combustion chamber). Akibatnya terlihat pada gambar 6 siklus T-s nilai temperatur T9 = T7 = T5 dan diasumsikan nilai h9=h7=h5. Persamaan input panas didapatkan q ¿=q¿, primary +q ¿, heat=(h6−h5)+(h8 −h7 ) Nilai effisiensinya nth =



w net q¿



Dari persamaan ini dapat dianalisa bahwa nilai h 5 pada siklus Brayton dengan intercooling, reheating dan regenerator lebih besar dari nilai h4 pada siklus Brayton ideal yang berakibatkan semakin kecilnya qin. Semakin besar nilai nilai h5 akan memperkecil nilai qin dan meningkatkan efisiensi isotermalnya. Proses intercooling dan reheating juga berperan besar dalam penurunan kerja yang terjadi pada siklus. Akibatnya suhu regenerator T5 pada siklus dapat ditingkatkan lebih tinggi ke T7 dan T9. Nilai T5 tanpa intercooling dan reheating tidak dapat mencapai titik maksimum menyebabkan nilai efisiensi isotermal siklusnya lebih rendah dibandingkan adanya intercooling dan reheating.



14



BAB III PENUTUP A. Kesimpulan Dari makalah yang dibuat didapatkan beberapa kesimpulan antara lain 1. Siklus Brayton diaplikasikan pada mesin-mesin turbojet dan turbin gas dan dapat dimodifikasi untuk meningkatkan efisiensi termalnya. 2. Pemodifikasian siklus brayton dengan penambahan intercooler dapat mengurangi kerja yang terjadi pada siklus namun membuang panas yang menimbulkan penurunan efisiensi. 3. Dengan penambahan proses regenerator dan reheating pada siklus Brayton dengan intercooler dapat meningkatkan efisiensi isotermal. 4. Akibat dari penurunan kerja oleh proses intercooling nilai suhu regenerasi pada regenerator meningkat. Hal ini meningkatkan nilai efisiensi isotermal dari siklus.



15



DAFTAR PUSTAKA Cengel, Yunus A. “Thermodynamic An Engineering Approach.” McGraw Hill Book Company 1985. http://www.learnthermo.com http://www.bently.com http://www.gepower.com http://www.pal.co.id http://www.turbomachinerymag.com http://www.braytonenergy.net/gas-turbines/ http://www.aeroplanemonthly.com/glossary http://www.history-science-technology.com/Notes/Notes1.htm.



16