SIKLUS TENAGA GAS

Dua hal penting dari aplikasi Termodinamika : 1. Pembangkit Energi (Power Generation) 2. Pendingin (Refrigeration) Siklus Termodinamika : 1. Siklus-siklus Tertutup (Closed Cycles) 2. Siklus-siklus terbuka (Opened Cycles) Siklus Termodinamika : 1. Siklus-siklus Energi (Power Cycle) 2. Siklus-sikus Pendingin (Refrigeration Cycle)

Mesin : peralatan atau sistem yang digunakan untuk menghasilkan energi. Refrigerator, Air Conditioner, Heat Pumps : peralatan atau sistem yang digunakan untuk menghasilkan efek pendinginan.

Mesin Kalor (Heat Engine : Mengkonversikan energi termal menjadi kerja) :1.

2.

Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engines) Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engines)

Efisiensi Termal Heat Engine :

Siklus Carnot

4 Reversibel proses siklus Carnot : 1. Penambahan panas isotermal 2. Ekspansi isentropik 3. Pembuangan panas isotermal 4. Kompresi isentropik Efisiensi termal siklus Carnot :

Asumsi Udara Standard1.

2.

3.

4.

Udara sebagai Fluida Kerja, yang bersirkulasi secara terus menerus dalam siklus tertutup dan berlaku sebagai gas ideal. Seluruh proses siklus bersifat reversibel internal. Proses pembakaran digantikan oleh proses penambahan panas yang berasal dari sumber luar. Proses pembuangan digantikan oleh proses pembuangan panas yang terdapat pada fluida kerja

Gambaran Singkat Mesin Torak (Reciprocating Engines)

Mesin Torak diklasifikasikan : 1. Mesin Penyalaan Busi (Spark-Ignition Engine) 2. Mesin Penyalaan Kompresi (Compression-ignition Engine) Rasio Kompresi (Rasio volume): Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure) :

Siklus Otto

Siklus Otto terdiri dari :Siklus Otto sistem tertutup Keseimbangan energi pada proses :

1-2 Proses kompresi isentropik 2-3 Penambahan kalor pada volume konstan 3-4 Proses ekspansi isentropik 4-1 Pembuangan panas pada volume konstan

2 proses perpindahan panas pada volume konstan W=0 Sehingga :

Efisiensi Termal Siklus Otto dengan menggunakan asumsi udara dingin standard (nilai konstanta panas spesifik pada temperatur ruangan):

Diketahui :

1. Proses 1-2 dan 3-4 isentropik

2. Proses 2-3 dan 4-1 volume konstan

Efisiensi Termal Siklus Otto dengan menggunakan asumsi udara dingin standard (nilai konstanta panas spesifik pada temperatur ruangan):Sehingga :

T3. 3 /R 4 k 1 R T1 1 k 1 k 1 R ! 1 T1 ! 1 R 2 T2 . 2 /R 1 Lth.Otto ! 1 R T2 T3 1 T2 1 T 2

Dimana : r = rasio kompresi dan k = rasio panas spesifik

Contoh soalSebuah mesin dengan siklus Otto ideal (seperti pada gambar diagram disamping) memiliki rasio kompresi 8. Pada awal proses kompresi, udara bertekanan 100 kPa dan bertemperatur 17oC, dan 800 kJ/kg panas ditransfer ke udara selama proses penambahan panas pada volume konstan. Tentukan : Temperatur dan tekanan maksimum yang terjadi pada siklus. Hasil kerja bersih (net work output) Efisiensi termal siklus Tekanan efektif rata-rata

Siklus Diesel (Siklus Ideal Mesin Penyalaan Kompresi)Perbedaan SI-Engine vs CI-Engine :1. SI-Engine : yang dikompresikan campuran udara & bahan bakar CI-Engine : yang dikompresikan hanya udara SI-Engine : camp.b.b. dikompresikan hingga mencapai temperatur di bawah temperatur penyalaan sendiri b.b. CI-Engine : udara dikompresikan hingga mencapai temperatur di atas temperatur penyalaan sendiri b.b. SI-Engine : proses pembakaran dimulai dengan nyala api listrik dari busi (menggunakan busi) CI-Engine : proses pembakaran terjadi akibat gesekan udara bertekanan dengan semburan b.b. (menggunakan injektor)

2.

Gambar Perbedaan SI-Engine vs CI-Engine

3.

Siklus Diesel terdiri dari :1-2 2-3 3-4 4-1 Proses kompresi isentropik Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan Proses ekspansi isentropik Proses pembuangan kalor pada volume konstan

Pemasukan kalor pada tekanan konstan :

Pembuangan kalor pada volume konstan :

Efisiensi Termal Siklus Diesel (dengan menggunakan asumsi udara dingin standard):

Diketahui :

1. Proses 1-2 dan 3-4 isentropik

2. Proses 2-3 tekanan konstan

T3 R 3 ! T2 R 23. Proses 4-1 volume konstan

Efisiensi Termal Siklus Diesel (dengan menggunakan asumsi udara dingin standard): Sehingga :th . Diesel

3

1

k 2

3 2

1

1

.k 2

3 2

Dimana :rc = cutoff rasio, rasio volume silinder sebelum dan setelah proses pembakaran

1

.R 3 k R 2. 23

1

R . 3 / R 4 k R 2 . 2 / R 1

k 1

1

1

k 1 1

1 1

1

R k . 3 1 1 R 2 R . k . 3 1 2 R 2

Stirling and Ericsson Cycles

Stirling and Ericsson Cycles

Efisiensi termal Stirling and Ericsson Cycles

Siklus Brayton

Siklus terbuka Turbin Gas

Siklus tertutup Turbin Gas (Siklus Brayton)

Siklus Brayton1-2 Proses Kompresi Isentropik 2-3 Proses Penambahan Panas pada tekanan konstan 3-4 Proses Ekspansi Isentropik 4-1 Proses Pembuangan Panas pada tekanan konstan Seluruh proses pada siklus Brayton terjadi pada peralatan2 aliran steady analisa steady-flow processes. Keseimbangan energi steady-flow process :

Siklus BraytonPanas yang ditransfer :Efisiensi termal siklus ideal Brayton (cold air standard assumption) :

Dimana proses 1-2 dan 3-4 isentropik; P2= P3 dan P4= P1 :

Sehingga efisiensi termal menjadi : Dimana : (pressure ratio) dan k : specific heat ratio

Siklus BraytonDari persamaan efisiensi termal (cold air standard assumptions), siklus Brayton ideal tergantung pada : 1. Rasio tekanan turbin gas (rp) 2. Rasio panas spesifik fluida kerja (k) Pengembangan Turbin Gas (menaikkan efisiensi siklus) : 1. Menaikkan inlet temperatur turbin 2. Menaikkan efisiensi komponen2 turbin 3. Modifikasi pada siklus dasarGrafik termal efisiensi vs rasio tekanan untuk k = 1,4

Deviasi Siklus Aktual Turbin Gas dari Siklus IdealnyaDeviasi disebabkan : 1. Terjadi penurunan tekanan pada penambahan dan pembuangan kalor. 2. Wkompresor aktual > Wkompresor ideal 3. Wturbin aktual < Wturbin ideal Besarnya deviasi kompresor dan turbin aktual dengan idealnya dapat ditentukan :

Siklus Brayton dengan RegenerasiBesarnya kalor aktual dan maksimum yang ditransfer dari gas buang ke udara :

Dengan menggunakan asumsi cold air standard :

Efisiensi termal (asumsi cold air standard) :

Siklus Brayton dengan Intercooling, Reheating & Regenerasi

Contoh soal :

Sebuah siklus ideal turbin gas dengan dua tingkat kompresi dan ekspansi memiliki rasio tekanan 8. Udara masuk pada tiap tingkat kompresor pada temperatur 300 K dan masuk pada tiap tingkat turbin pada 1300 K. Tentukan : a. Rasio kerja balik dan efisiensi termal siklus turbin gas ini jika tanpa regenerator. b. Rasio kerja balik dan efisiensi termal siklus turbin gas ini jika dengan regenerator.

Siklus Jet Propulsi Ideal

Gaya dorong yang dihasilkan pada mesin turbojet merupakan gaya tak seimbang yang diakibatkan oleh perbedaan momentum udara yang masuk dengan kecepatan rendah dan gas yang dibuang dengan kecepatan tinggi.

Siklus Jet Propulsi Ideal

Tekanan masuk dan keluar dari mesin turbojet = identik, sehingga besarnya gaya dorong yang dihasilkan mesin :

Siklus Jet Propulsi IdealBesar Propulsive Power (energi yang dihasilkan dari gaya dorong mesin) yang dihasilkan :

Wnet turbojet engine = 0Sehingga efisiensi (propulsive efficiency) ditentukan dengan cara perbandingan energi yang dihasilkan (propulsive power) dengan nilai panas bahan bakar (energi input rate).

Propulsive efficiency merupakan ukuran seberapa efisien energi termal yang dilepaskan selama proses pembakaran yang dikonversikan menjadi energi propulsi.

Analisa Hukum II dari Siklus Tenaga GasAnalisa Hukum II : hanya pada siklus Ideal Otto, Diesel & Brayton (di dalam siklusnya terdapat sebagian irreversibel proses). Exergy destruction untuk sistem tertutup dinyatakan :

Atau untuk steady flow system :

Atau, dalam basis unit massa untuk satu inlet, exit steady flow device :

Analisa Hukum II dari Siklus Tenaga GasExergy destruction suatu siklus adalah jumlah dari exergy destruction dariproses-proses yang menyusun siklus. Untuk suatu siklus yang reversibel atau aktual, keadaan awal dan akhir adalah identik, sehingga se = si. Dengan demikian exergy destruction suatu siklus tergantung pada besarnya perpindahan panas dengan reservoir2 temperatur tinggi dan rendah yang terlibat maupun temperatur pribadi mereka, dan dapat dinyatakan :

Analisa Hukum II dari Siklus Tenaga GasUntuk siklus yang melibatkan perpindahan panas hanya dengan sumber pada TH dan membuangnya pada TL , besarnya exergy destruction :