Siklus Ideal Otto [PDF]

Citation preview

SIKLUS IDEAL OTTO Siklus Ideal Otto adalah terbentuk dari rangkaian proses sbb : kompressi dan ekspansi berlangsung secara adiabatis, sedangkan pengisian dan pembuangan panas berlangsung pada volume konstan. P P3



3



4 P2 P1



V2 = V3



V1 = V 4



Diagram P – V siklus Ideal Otto V1 = Volume total silinder V3 = Volume ruang bakar (akhir kompressi) V = Volume langkah tarak yakni selisih Volume total dengan volume akhiir kompressi Tentukan panas yang dimasukkan pada proses pengisian adalah q = CV (T3 – T2) Kj/ kg dimana CV = panas jenis pada volume konstan T2



= Temperatur akhir kompressi



T1



= Temperatur akhir pengisian panas yang dikeluarkan pada proses pembuangan = C1 (T4 – T1)



T4 = Temp. Akhir ekspansi T1 = Temp. Udara masuk Jenis panas yang berubah berguna menjadi usaha tiap siklus ialah selisih masuk (q in) dengan panas keluar (q out) Wmet = q in – q out = CV (T3 – T2) – CV (T4 – T1) ...................................(3) Jadi efisiensi termis ideal, didefinisikan sebagai panas berguna terhadap proses panas yang masuk



Vt =



Atau Vt =



.........................................(4)



Oleh karena besaran volume dalam silinder dapat diketahui maka efisiensi termis akan dinyatakan dalam vlume bila pers (1) dan (2) ke pers 94) maka dapat hubungan



Vt =



= 1-



............................



Atau Vt = 1 -



.................................................



Bila diketahui perbandingan volume kompressi ekspansi, maka rumus di atas akan dinyatakan dalam hubungan volume. Proses kopressi kuadran 1 ke 2 berlangsung secara adiabatis, jadi diperoleh hubungan :



T2 = T1



Atau T2 = T1 (rk) k-1 .................................... Dan T3 = T4. (rk) k-1 ............................... Subtitusi pers (6) dan (7) dan pers (5) sehinga efisiensi termol adalah : t = 1



..................................................



Dapat dilihat bahwa berdasarkan pers 910) dengan meningkatkan dasio kompressi mengakibatkan naiknnya efisiensi termis 0,60



Ideal



0,50 0,40



Aktual



0,30 0,20 0,10



0



5



10



15



25



30



rk



Contoh soal : Sebuah siklus otto tekanan dan temperatur pada awal kompressi97 kN/m2 dg 50



0



C. Perbandingan volume kompressi 5 : 1. Panas yang



dimasukkan ke dalam siklus 930 kS/kg. Tentukan a. Temp. Maksimum dalam siklus ? b. Efisiensi termis c. Usaha yang dilakukan selama siklus /kg Asumsi : k = 1,4 ; Cv = 0,717 kJ/kg K Jawab : a. Proses dari 1 ke 2 berlangsung secara adiabatis, maka dipenuhi hubungan



: T2 = T1



= 323 (5)1,4-1 = 323 . 5 0,4 = 615 K



Untuk volume konstan pemasukan proses qin = CV (T3 – T2)



930 = 0,717 (T3 – 615)



T3 =



+ 615



= 1910 K Atau T3 = 1910 – 273 = 1637 0 C



Contoh soal Hitung efisiensi termal siklus ideal udara standar dari siklus otto mesi bensin yang terdiri dari 1 silinder, diameter silinder 50 mm, panjang tarak 75 mm, volume sisa 21,3 cm3. Dik : Mesin 1 silinder D = 50 mm = 5 cm V = 75 mm = 7,5 cm V1 = 21,3 cm3 Dit : + = ......? Jawab : Volume langkah tarak (Vc) V=



= 147,2 cm3



=



Volume total silinder : V1 = V1 + V2 = 147,2 + 21,3 = 168, 5 cm3 Perbandingan kompressi



=



=1-



= 1-



 = 0, 563 = 56,3 % SIKLUS IDEAL DIESEL Siklus ini terdiri dari dua proses adiabatis (kompressi dan ekspansi) pemasukan panas pada takanan konstan dan pengeluaran panas pada volume konstan. Diagram P-V pada siklus ini ditunjukkan pada gambar berikut : 2



p



3



4



V V2



V3



V1



Gambar diagram P-V untuk siklus ideal diesel Luas garis-garis proses menggambarkan usaha ideal yang dihasilkan tiap siklus. Panas masuk pada akhir kompressi berlangsung pada tekan konstan. qin = Cp (T3 – T2) ..................... pembuangan panas dari 4 ke 1 pada akhir ekspansi berlangsung pada volume konstan qout = CV (T4 – T1) pada kedua proses kompressi dan ekspansi (adiabatis) tidak terjadi pertukaran panas artinya tidak ada panas yang masuk maupun keluar sistem. Oleh karena itu jumlah panas yang berubah menjadi kerja berguna ideal (usaha) ialah Wnet = Q in – Q out = CP. (T3 – T2) – CV (T4 – T1) kj/kg Sehingga efisien termal ideal : t



t



Pada siklus udara tekanan konstan, panas dimasukkan pada tekanan konstan, dimana pada waktu taak bergerak dari titik Mati Atas (TMA) ke titik Mati Bawah (TMB). Siklus adalah siklus ideal bagi motor diesel dimana panas yang dimasukkan diasumsi eqivalen dengan banyaknya panas yang diperoleh pada proses pembakaran di dalam ruang bakar (silinder). Efisiesni siklus udara tekanan konstan pada motor diesel ini dapat ditentukan dengan menganggap =1



sehingga EF termal ideal untuk siklus udara tekan konstan,



dengan pers sbb : t



==



Suatu motor diesel temperatur dan tekanan masuk silinder masing 15 0C dan 1 bar perbandingan kompressi 12/1, temperatur pembakaran maksimum 1100 0C. CP = 1,005 kj/kg k. CV = 0,718 kj/kgj Penyelesaian Dik : T1 = 15 0C + 273 = 288 K T2 = 1100 + 272 = 1373 K rk = 12/1, Cp = 1,005 kj/kgk; CV = 0,718 kj/kgK 2



3



3 4



2



4



1 V



s



1



Dit : t = ........? Jawab : Dari pers :



= (12)1,4 – 1 = (12) 1,4 – 1 = 2,7



=



T2 = 2,7 x 288 = 788 Dari titik 2 ke 3 berlangsung pada tekanan konstan : Dimana p = RT untuk gas



=



=



=



= 1,765



Sedangkan :



= 12



Maka :



1,2 x



= 6,8



Dari pers :



= (6,8)1,4-1 = 2,153 T4 =



= 638 K



Panas masuk (Qin) Qin = CP (T3 – T2) = 1,00 (1373 – 778) Qin = 598 kj/kg Panas yang kaluar (Qout) Qout = CV (T4 – T1) = 0,718 (638-288) Qout = 251 kj/kg Jadi efisiensi termal : t



t = 0,58 = 58 %



SIKLUS UDARA TEKANAN TERBATAS (SIKLUS GABUNGAN)



Apabila suatu siklus dimana pemasukan panas dilaksanakan baik pada volume konstan maupun pada tekanan konstan, maka siklus tersebut dinamakan siklus tekanan terbatas. Terjadinya siklus tekanan terbatas ini karena proses pemasukan kalor dengan tekanan konstan sangat sukar terjadi, disamping itu efisiensi juga sangat rendah, karena itu dalam perhitungan perencanaan siklus motor diesel mdoern digunakan siklus udara tekanan terbatas. 3a



Qin 2 3 Qin 1 4



2



Qout 1



Proses 1-2 = kompressi isentropik 2-3a = pemasukan panas pada volume konstan 3a-3 = pemasukan panas pada tekanan konstan 3-4 = ekspansi isentropik 4-1 = pengeluaran panas pada volume konstan Pamasukan kalor pada volume konstan (Q in 1) Qin 1 = CV. (T3a – T2) Pemasukan kalor (panas) pada tekanan konstan (Q in 2) Qin 2 = CP (T3 – T3a) Sehingga Qin total = Qin + Qin2



Qin = CV. (T3 – T2) + CP (T3 – T3a) Sedangkan panas terbuang (Qout) Qout = CV ((T4 – T1) Sehingga efisiensi siklus tekanan terbatas sbb :



t =



t =



Atau



t = 1 -



= 1-



Atau = 1-



Oleh karena :



=



=



Sehingga dengan menggunakan hubungan di atas maka :



t = 1-



Dimana :



Suatu mesin siklus tekanan terbatas pada pembakaran yang berlangsung pada volume dan tekanan konstan, tekanan udara masuk 0,01 bas pada temperatur 200C dan tekanan maksimum 69 bas perbandingan kompressi 18 : 1. Hitung efisiensi termal



Dik : P1 = 0,01 bas P3a = 69 bas r1 = 20 0C + 273 = 293 K rk =



Cp = 1,005 kj/kg k Cv = 0,718 kj/kg k



3a



3



4



2



Qout 1



Dari pers :



=



= 3,18



T2 = 3,18 x T1 = 3,18 x 293 = 931 K Dari titik 2 ke 3a berlangsung pada volume konstan, dimana



Atau



dimana V3a = V2



T3a =



Dari persamaan



(18)1,4 = 57,2



P2 = 57,2 x 1.01 = 57, 8 bas T3a =



Panas yang masuk pada volume konstan sama dengan panas yang masuk pada tekanan konstan CV (3a – T2) = Cp (T3 – T3a) 0,718 (1112-931) = 1,005 (T3 – 1112) T3 =



T3 = 1241,4 K Untuk mendapatkan nilai pada titik 4 maka terlebih dahulu menghitung



perbandingan volume



Untuk proses tekanan konstan dari 3a ke 3



Sedangkan



Dengan menggunakan pers :



Panas yang masuk (Q in + ot) Qin tot = CV (T3a – T2) + Cp (T3 – T3a) = 0,718 (1112-931) + 1,005 (1241,4 – 1112) = 260 kj/kg Panas yang terbuang Qout = CV (T4 – T1) = 0,718 (408 – 293) = 82,6 kj/kg Besarnya efisiensi



t =



t =



t = 68,2 % P 3a



3



Garis ideal Garis aktual



2



4



V



Penyimpangan dari siklus udara (ideal) terjadi karena dalam keadaan yang sebenarnya terjadi kerugian antara lain disebabkan hal-hal berikut : 1. Kebocorn fluida kerja karena penyekatan oleh cincin tarak dan katup tak dapat sempurna. 2. Katup tidak terbuka dan tertutup tepat di TMA dan TMB 3. Fluida kerja bukanlah udara yang dapat dianggap sebagai gas ideal dengan kadar spesifik yang konstan ......proses siklus berlangsung. 4. Proses pembakaran memerlukan waktu, jadi tidak berlangsung sekaligus, akibatnya proses pembakaran berlangsung pada volume ruang bakar yang berubah-ubah karena gerakan tarak. Dengan demikian pembakaran harus sudah dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum tarak mencapai TMA dan berakhir beberapa derajat engkol sesudah tarak bergerak kembali ke TMB. Disamping itu tidak pernah terjadi pembakaran sempurna sehingga daya dan efisiensi sangat bergantung pada perbandingan bahan bakar udara.



5. Terdapat kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingi, terutama pada langkah kompressi ekspansi dan pada waktu gas buang meninggalkan silinder. Persiapan kalor terjadi karena terdapat perbedaan temperatur antara fluida kerja dari fluida pendingin. Fluida pendingin diperlukan untuk mendinginkan bagian-bagian mesin yang panas yaitu untuk mencegah agar bagian mesin tersebut tidak terjadi kerusakan. 6. Terdapat kerugian energi kalor yang di bawah oleh gas buang dari dalam silinder ke atmosfir sekitar mesin. Sebagai energi yang terbuang tersebut tidak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja mekanis. 7. Terdapat kerugian energi karena terjadinya gesekan antara fluida kerja dengan dinding sekitarnya. Kerugian energi karena gesekan antara poros bantalan dll. Berdasarkan semua hal di atas sebagai bentuk diagram P-V dari siklus yang sebenarnya tidak sama dengan siklus ideal. Karena semua penyimpangan merupakan kerugian energi, maka hendaknya diusahakan agar siklus yang sebenarnya berkisar (80-90%) dari perhitungan siklus bahan bakar – udara untuk motor 4 langkah di (60 – 70)% untuk 2 langkah.