MESIN KONVERSI ENERGI

SIKLUS UDARA STANDAR

MULYA MILADINAD211 13 005

JURUSAN MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS HASANUDDIN2015

Mesin-mesin penyalaan busi (spark-inginition) yang membakar bensi dan mesin-mesin penyalaan komperesi (compression ignition) yang membakar minyak bahan bakar adalah dua jenis mesin seperti ini yang paling umum.

Pengoperasian suatu mesin gas dapat dianalisis dengan mengansumsikan bahwa fluida kerjanya memang melewatu suatu siklus termodinamika lengkap. Siklus tersebut seringkali disebutsiklus standar udara.Semua siklus standar udara yang akan kita bahas memiliki fitur-fitur tertentu yang sama.

Udara adalah fluida kerja di keseluruhan siklus. Massa dari kuantitas kecil bahan bakar yang diinjeksi dianggap dapat diabaikan Tidak terdapat proses masuk datau proses keluar Proses pembakaran digantikan dengan proses perpindahan kalor di mana energi dipindahkan dari sumber eksternal. Proses tersebut bisa volume konstan atau tekanan konstan, atau kombinasinya. Proses pembuangan, yang digunakan untuk mengembalikan udara ke keadaan awalnya, digantikan dengan perpindahan kalor ke lingkungan. Semua proses diasumsikan berada dalam konsisi kuasi-esetimbangan. Udara diasumsikan sebagai gas ideal dengan kalor-kalor spesifik konstan.

Diameter dari piston disebutboredan jarak yang ditempuh oleh pergerakab piston ke satu arah disebut langkah piston(stroke). Ketika piston berada dititil mati atas (top dead center-TDC),volume yang diisikan oleh udara adalah yang maksimum, volume ini disebut sebagai volume sisa (clearance volume).

Ketika piston bergerak ke titik mati bawah (botton dead center- BDC), udara mengisivolume maksimum.Selisih antara volume maksimum dan volume sisa adalah volume perpindahan (displacement).Volume sisa seringkali secara implisit dituliskan sebagaipersen clearance c,rasio dari volume sisa terhadap volume perpindahan.Rasio kommpresi rdidefinisiakan sebagai rasio dari volume diisi oleh udara pada BDC terhdapa volume yang diisi oleh udara TDC.

Tekanan efektif rata-rata (mean efeective pressure-MEP)adalah kuantitas lain yang sering digunakan unntuk memberikan rating pada mesin-mesin piston silinder, ini adalah tekanan yang, jika bekerja pada piston selama langkah daya, akan menghasilkan sejumlah usaha yanng besarnya sama dengan yang sebenarnya dihasilkan selama keseluruhan siklus.

1. SIKLUS OTTO

Siklus Otto adalah siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian-nyala bunga api.Pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian-nyala ini, campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga api dari busi. Piston bergerak dalam empat langkah (disebut juga mesin dua siklus) dalam silinder, sedangkan poros engkol berputar dua kali untuk setiap siklus termodinamika. Mesin seperti ini disebut mesin pembakaran internal empat langkah. Skema berikut memperlihatkan setiap langkah piston dan pernyataan prosesnya pada diagramP-vuntuk kondisi aktual mesin pengapian-nyala empat langkah,Dari skema di atas tersebut, kondisi awal kedua katup hisap dan buang dalam keadaan tertutup sedangkan piston pada posisi terendahnya yaitu pada titik mati bawah (Bottom Dead Center/BDC). Selama langkah kompresi, piston bergerak ke atas, di mana campuran udara-bahan bakar dikompresi. Sesaat sebelum piston mencapai posisi tertingginya yaitu titik mati atas (Top Dead Center/TDC), percikan bunga api ditimbulkan oleh busi sehingga membakar campuran, yang kemudian menaikkan tekanan dan temperatur sistem. Tekanan gas yang tinggi tersebut mendorong piston ke bawah sehingga menyebabkan poros engkol berputar, selama langkah usaha (langkah ekspansi) ini dihasilkan kerja keluaran yang bermanfaat. Pada ujung langkah ini, piston pada posisi terendahnya untuk menyelesaikan siklus yang pertama (mesin satu siklus), sehingga isi silindernya berupa sisa pembakaran.Piston bergerak kembali ke atas membersihkan gas buang melalui katup buang (langkah pembuangan), kemudian piston turun kembali ke bawah mengambil campuran udara-bahan bakar yang baru melalui katup hisap (langkah hisap). Sebagai catatan bahwa tekanan dalam silinder di atas tekanan lingkungan saat langkah buang dan berada di bawah tekanan lingkungan saat langkah hisap.Analisis termodinamika untuk kondisi aktual tersebut dapat disederhanakan bila digunakan asumsi udara-standar yang berlaku sebagai gas-ideal. Karenaitu, siklus untuk kondisi aktual dimodifikasi menjadi sistem tertutup yang disebut sebagai siklus Otto ideal. Skema dan pernyataan prosesnya pada diagram P-v dan T-s seperti terlihat pada gambar berikut,

Siklus Otto ideal terdiri dari empat proses reversibel internal, yaitu proses 1-2 kompresi isentropik, proses 2-3 penambahan kalor pada volume tetap, proses 3-4 ekspansi isentropik, dan proses 4-1 pelepasan kalor pada volume tetap. Karena siklus Otto ideal ini merupakan sistem tertutup, maka ada beberapa asumsi yang digunakan yaitu (1) mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, dan (2) tidak ada kerja yang timbul selama proses perpindahan kalor.Efisiensi termal siklus Otto ideal ini tergantung dari besarnya rasio kompresi mesin dan rasio kalor spesifik dari fluida kerjanya. Efisiensi siklus akan naik bila rasio kompresi dan rasio kalor spesifik semakin besar seperti pada diagram di bawah ini.

2. SIKLUS DIESELDitemukan pada tahun 1890 oleh seorang berkebangsaan Jerman yaitu Rudolph Diesel. Sama halnya dengan siklus otto, siklus diesel merupakan siklus bolak-balik (reciprocating), namun pada siklus ini terdapat pengapian kompresi yang berbeda dengan siklus otto (menggunakan spark plug). Pada siklus diesel ini spark plug dan karburator digantikan oleh injektor bahan bakar.Siklus diesel dapat dirancang dengan rasio kompresi yang tinggi (pada umumnya 12-24). Diagram perbandingan T-S dan P-V dapat dilihat pada gambar:

Berbeda pada siklus otto, siklus diesel terdapat rasio pancung (cutoff ratio) yang terjadi pada proses pembakaran seperti yang terlihat pada diagram diatas proses 2-3. Untuk proses pada siklus diesel 4 langkah dapat dilihat pada gambar:

Pada gambar pertama (kiri ke kanan) merupakan langkah kompresi setelah udara masuk ke dalam ruang bakar. Udara ini dikompresi hingga mempunyai tekanan yang sangat tinggi sekali. Pada gambar kedua merupakan proses injeksi bahan bakar. Akibat tekanan udara yang sangat tinggi sekali dan injeksi dari bahan bakar tersebut menyebabkan terjadinya pembakaran. Pada gambar ketiga merupakan langkah tenaga dimana akibat ledakan dari pembakaran tadi piston didorong ke bawah dan menyebabkan terjadinya daya/power. Pada gambar keempat merupakan langkah buang, dimana sisa dari pembakaran dibuang ke lingkungan.Untuk kompresi rasio yang sama siklus diesel mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan siklus otto. Adapun rumus untuk mencari efisiensi siklus diesel adalah:

Efisiensi siklus diesel yang tinggi menyebabkan siklus ini digunakan untuk mesin-mesin dengan kapasitas besar. Seperti yang terdapat pada truk, lokomotif, mesin kapal, dan pembangkit tenaga listrik darurat (genset).

3. SIKLUS BRAYTONMendapatkan persamaan efisiensi dan daya efektif atau dengan kata lain, siklus Brayton udara standar ideal. Siklus ini sering dikembangkan pada aplikasi turbin gas. Dan prosesnya yang paling sederhana dan ideal menggunakan udara ideal, dimodelkan oleh seorang ilmuwan bernama Brayton pada tahun 1873.Dengan melibatkan kompresi dan ekspansi pada entropi konstan, disertai penambahan dan pembuangan kalor pada tekanan konstan. Berbeda dengan siklus bolak-balik lain, seperti siklus diesel, otto, stirling atau siklus lain yang mengkombinasikan isentropi, isobarik, isotermal dan/atau isokorik.

Open Cycle Gas Turbine Engine

Closed Cycle Gas Turbine EngineSeperti siklus lain, siklus ini digambarkan dengan diagram T-s dan diagram p-v, sebagai berikut.

Diagram p-v

Diagram T-sDengan batasan, siklus pada loop tertutup fluida kerja, penambahan dan pengurangan kalor terjadi saat tekanan konstan dan fluida kerja adalah gas ideal denganspecific heat propertykonstan.Keempat proses yang terjadi pada siklus ini berada dalam aliran fluida berkeadaan tunak sehingga kita menganalisanya dengan batasan keadaan tunak. Disertai pengabaian energi kinetik dan potensial sistem