BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Definisi Konversi energi adalah cara untuk merubah energi dari satu sistem ke sistem yang lain. Misalnya energi listrik diubah menjadi energi mekanik, energi mekanik diubah menjadi energi listrik, energi elektromagnetik diubah menjadi energi mekanik dan lain sebagainya. 1.2. Jenis dan Klasifikasi Energi Dua jenis umum energi, yaitu : - Energi transisional : peralihan/hasil, misalnya kerja. - Energi tersimpan : laten, misal bentuk energi kinetik. Klasifikasi utama : - Energi mekanik - Energi listrik - Energi elektromagnetik - Energi kimia (reaksi eksotermis) - Energi nuklir - Energi panas (termal)
BAB 1 PENDAHULUAN Energi termal adalah bentuk energi dasar, artinya semua bentuk energi lain dapat dikonversi secara penuh ke energi ini, tetapi pengkonversian energi termal menjadi bentuk energi lain dibatasi oleh hukum kedua termodinamika. 1.3. Sumber Energi Energi perolehan (income energy) Energi yang mencapai bumi dari luar angkasa. Sumber energi perolehan yang berguna hanyalah energi elektromagnetik dari matahari (energi surya) dan energi potensial dari bulan yang menghasilkan aliran pasang. Keuntungan : • Sumber yang kontiyu/tak terhabiskan • Bebas polusi -
Energi modal (capital energy)
BAB 1 PENDAHULUAN Energi yang telah ada pada atau di dalam bumi. Energi modal berupa energi atom dan panas bumi. Energi atom dilepaskan sebagai hasil reaksi yang melibatkan atom-atom (reaksi nuklir, kinetik). Energi panas bumi adalah energi panas yang terperangkap di bawah dan di lapisan padat bumi. Energi panas bumi berbentuk uap panas, air panas, bahan bakar fosil.
1.4. Produksi Energi Termal Bentuk-bentuk
energi
dapat
dikonversi
menjadi
energi
termal.
Pengkonversian energi termal menjadi bentuk energi lain adalah terbatas pada harga yang lebih kecil dari 100%.
BAB 1 PENDAHULUAN 1.4.1. Konversi energi mekanik - Gesekan adalah hasil konversi energi mekanik menjadi energi termal. -
Proses-proses teknik banyak berkaitan dengan gesekan baik yang menguntungkan maupun yang merugikan.
1.4.2.
Konversi energi listrik
-
Konversi menjadi energi termal muncul sebagai bentuk kerugian sebesar IE atau I2R.
-
Kerugian terjadi pada kawat yang dialiri arus IA dengan tahanan R Ω sebagai hasil perbedaan potensial E V. besaran laju konversi adalah Watt.
1.4.3. -
Konversi energi kimia
Energi termal dihasilkan dari reaksi kimia eksotermis, yaitu reaksi pembakaran.
BAB 1 PENDAHULUAN -
Contoh : produksi CO2 dari C 2 C + O2 → 2 CO + 2 Qc – c o Qc-co = 110,38 kJ/(kg.mol c) 2 CO + O2 → 2CO2 + 2 Qco – co2 Qco-co2 = 283,18 kJ/(kg.mol.CO)
1.4.4.
Konversi Energi Nuklir
Dikenal tiga reaksi utama yang menghasilkan energi termal, yaitu : peluruhan radioaktif, fisi dan fusi.
1.4.5.
Konversi energi elektromagnetik
Konversi energi elektromagnetik menjadi energi termal dilangsungkan dalam beberapa jenis proses absorpsi.
BAB 1 PENDAHULUAN -
Absorpsi volumetrik : untuk radiasi energi tinggi (sinar x, sinar γ)
-
Absorpsi permukaan : untuk beberapa bahan.
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Pada prinsipnya energi mekanis adalah hasil konversi energi panas atau konversi langsung energi listrik. Konversi energi panas ke energi mekanis terjadi pada beberapa jenis mesin kalor yang bekerja berdasar siklus mesin kalor termodinamika dengan efisiensi tertentu. 2.1. Siklus Daya Termodinamika Setiap siklus termodinamika terdiri dari serangkaian proses termodinamika yang mengembalikan fluida kerja ke keadaan semula. Fluida kerja digunakan untuk produksi daya. Produksi daya, efisiensi dan peningkatan potensi berbagai sistem dianalisis dari siklus termodinamik. Selama proses berlangsung, satu sifat biasanya dalam keadaan konstan, seperti : - Isotermis : temperatur (T) konstan - Isobar : tekanan (P) konstan - Isometris : volume (V) konstan - Isentropis : entropi (s) konstan - Adiabatis : tanpa perpindahan panas - Throtling
: entalpi konstan (h)
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Proses adiabatis yang dapat dibalik (reversible) merupakan proses isentropis. 2.2. Efisiensi Gambaran keuntungan dari siklus termodinamika didefinisikan sebagai rasio antara keluaran energi yang dikehendaki dibagi dengan energi yang diberikan. Rasio tersebut adalah efisiensi termal (ηth) η
=
th
=
keluaran energi yang bermanfaat energi yang disuplai keluaran daya laju masuk energi
(2.1)
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Sumber Kalor
QH (+) QL (-)
TH
Perpindahan Kalor
QH, kalor suplai
Keluaran bersih
Sistem W
QL, kalor ditolak
Perpindahan Kalor TL
Penyerap Kalor
Gambar 2.1. Sistem Termodinamik Penghasil Daya (pada motor bakar)
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS W Besar efisiensi termal, = η th QH ΣW η th = ΣQ H
Untuk sistem yang rumit,
(2.2.a) (2.2.b)
Sumber dan penyerap kalor adalah bagian sekeliling dimana sistem menukar energi dengan perindahan kalor. Menurut gambar 2.1, besar daya adalah :
W = Q H − QL Sehingga,
ηth =
(2.3)
QH − QL
ηth = 1 −
QH QL QH
(2.4)
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Persamaan (2.4) menggambarkan bahwa siklus daya adalah terbatas, yaitu ditentukan oleh tingkat temperatur dimana energi kalor dapat diterima atau ditolak. 2.3. Siklus mesin kalor Dapat Balik (Reversible) Siklus daya yang secara total dapat-balik akan memeberi efisiensi termis maksimum. Hal ini terjadi pada mesin kalor ideal atau yang paling efisien. Menurut Hawkins, proses dikatakan reversibel bila : -
Proses dapat dibalik
-
Benda kerja selalu dalam keadaan setimbang selama proses
-
Tak ada transformasi energi sebagai akibat dari rugi-rugi gesekan.
Menurut Keenan, reversibel bila sistem dan elemen sekelilingnya dapat dikembalikan secara menyeluruh ke keadaan semula sesudah menjalani beberapa proses. Dalam prakteknya tidak ada proses reversibel. Semua proses alami adalah irreversibel.
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Beberapa fenomena yang menbuat setiap proses termodinamika menjadi irreversible : -
Gesekan
-
Ekspansi yang ditahan
-
Pencampuran beberapa zat yang berbeda
-
Perpindahan panas karena perbedaan temperatur yang nyata
Ada tiga siklus daya ideal yang merupakan siklus daya yang secara total dapat-balik, yaitu siklus Carnot, siklus Ericson dan siklus Stirling.
2.4. Siklus Carnot Carnot adalah yang pertama memakai suatu siklus dalam penalaran termodinamik, siklus itu secara eksternal dapat-balik.
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS sumber
TH T
QH
Penukar kalor
C
P
c
b
TL
c
b
TH b
d
a
QH
G
E
c a
d
a
Tc QL
QL
d
Penukar kalor
penyerap (b)
(a)
Gambar 2.2. Siklus Carnot (a)
sketsa perlengkapan
(b) diagram T-S (c)
diagram P-V
S
Va
(c)
Vd
V
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Proses melingkar Carnot terdiri dari empat proses reversibel : 1.1. b-c : ekspansi isotermal Sistem dikontakkan dengan reservoir panas temperatur konstan TH dan menyerap panas QH. Volume berubah dari Vb ke Vc. Sistem melakukan kerja W2. 1.2. c-d : ekspansi adiabatik Temperatur turun dari TH ke TL. Volume berubah dari Vc ke Vd dan kerja ekspansi sebesar W’. 1.3. d-a: kompresi isotermal Sistem dikontakkan dengan reservoir dingin temperatur konstan TL dan memberi panas QL pada reservoir dingin. Sistem menerima kerja kompresi sebesar W1 dan volume berkurang dari Vd ke Va. 1.4. a-b: kompresi adiabatik Sistem menerima kerja kompresi sebesar W” hingga volume berkurang dari Va ke Vb. Untuk gas ideal, kerja pada tiap proses adalah : Kerja ekspansi isotermal b-c
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Vc Vc W2 = ∫ p.dv = m.R.TH .ln Vb Vb Kerja ekspansi adiabatik c-d
W ' = − ∫ dU d
(dQ = 0; dW = -dU)
c
= −m ∫ Cv dT T TL
dQ=dU+dW
H
= − m.CV .(TL − TH ) = m.CV .(TH − TL ) Kerja kompresi isotermal d-a
W1 = ∫Vd p.dV = m.R.TL .ln( Va
Va ) Vb
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Kerja kompresi adiabatik a-b
W" = − ∫a dU = − m ∫T Cv.dT = − m.Cv(TH − TL ) b
TH L
Kerja bersih proses melingkar Carnot
W = W2 + W '+W1 + W " Vc Va = m.R.TH .ln( ) + m.Cv.(TH − TL ) + m.R.TL .ln( ) − m.Cv.(TH − TL ) Vb Vd Vc Vd = m.R.TH .ln( ) − m.R.TL .ln( ) (2.5) Vb Va Dari proses ekspansi adiabatik c-d dan kompresi adiabatik a-b diperoleh : TH.Vcγ-1 = TL.Vdγ-1 TH.Vbγ-1 = TL.Vaγ-1
γ =
Cp Cv
(2.6)
Vc Vd = Vb Va
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Pada proses ekspansi isotermal b-c dan kompresi isotermal d-a, energi dalam gas ideal adalah konstan, maka : W2 = QH ; W1 = QL
(2.7)
Kerja bersih siklus Carnot menjadi, W = QH - QL
(2.8)
Efisiensi termis,
QH − QL W η th = = QH QH Vc Vd − m.R.TH . ln( ) m.R.TL . ln( ) Vb Va = Vc m.R.TH . ln( ) Vb TH − TL T = = 1− L TH TH
(2.9)
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Hubungan antara panas dan temperatur,
QL QH
TL = TH
(2.10)
2.5. Refrigerator Carnot Proses melingkar Carnot adalah proses reversibel, maka proses dapat dibalik. Proses yang dibalik ini disebut refrigerator Carnot. TH
Reservoir panas
QH TH
QH W
W
QL TL (a)
Gambar 2.3.
Reservoir dingin
QL TL (b)
(a) Siklus Melingkar Carnot (b) Siklus Melingkar Carnot
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Refrigerator Carnot menerima kerja luar W dan menyerap panas QL dari reservoir dingin temperatur TL dan memberikan panas QH ke resservoir panas temperatur TH. Kerja yang diterima, W = QH – QL
(2.11)
Koefisien performance,
QL W QL = QH − QL
c=
(2.12)
TL = TH − TL
(2.13)
Dari persamaan (2.12) dan (2.13) diperoleh,
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS
QL TL = QH TH
(2.14)
Kesimpulan : Konversi secara kontinyu dari panas menjadi kerja hanya mungkin terjadi pada mesin yang bekerja periodik. Direct cycle terjadi pada mesin-mesin panas sedang reserved cycle terjadi pada pesawat pendingin dan pompa. -
Panas dari reservoir dingin tidak dapat diubah menjadi kerja.
Efisiensi proses melingkar Carnot yang ideal tidak akan pernah mencapai 1.
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS 2.6. Siklus Ericson Siklus Ericson adalah siklus mesin kalor yang dapat balik. Siklus ini terdiri dari dua proses isotermis dapat-balik dan dua proses isobar dapat-balik.
T
P
QH
1
1
4
2
TH
Reg p=c
Reg
p=c
QH
TL = c
TH = c
QL TL
3
4
3
2
QL S
V
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Regenerator 2 3 1
4
W
QL Kompresor
QH Turbin
Gambar 2.4. Siklus Tenaga dan Mesin Ericson Peristiwa espansi dan kontraksi pada tekanan konstan memerlukan renegerator dimana kalor yang dipindahkan dari fluida kerja selama kontraksi dari 2 ke 3 adalah sama dengan kalor yang diterima fluida kerja selama ekspansi dari 4 ke 1. hal ini dengan anggapan bahwa efektivitas renegerator adalah 100%. Efisiensi termal siklus Ericson sama dengan efisiensi termal siklus Carnot yang berlangsung di antara temperatur TL- dan TH yang sama.
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS 2.7. Siklus Strirling Siklus Strirling juga suatu siklus mesin kalor dapat balik secara eksternal yang terdiri dari dua proses isotermis dapat-balik. Siklus ini juga menggunakan regenerator untuk perpindahan panas dapat-balik dari/dan/ke fluida kerja selama proses isokhoris/isometris. T 1
TH
P
QH
1
QH
2
Reg
TH = c Reg
v=c
2
4 TL
QL
3
4 QL
S
3 V
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Regenerator 2 3 1
4
W QL
QH
Kompresor isotermal
Ekspander eksotermal
Gambar 2.5. Siklus Tenaga dan Mesin Stirling Efisiensi termal siklus Stirling sama seperti siklus Carnot dan Ericson untuk temperatur kerja TH dan TL yang sama.
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Regenerator TH
TL 3
TH
TH
TH
4 TL
1
TL
TL
2 TH
TL
Gambar 2.6. Motor Bakar Siklus Sirling yang Diidealkan
BAB 2 KONVERSI ENERGI PANAS Walaupun siklus Carnot, Ericson dan Stirling adalah siklus ideal, namun telah meletakkan pondasi pemahaman konversi energi panas ke energi mekanik dan dipakai sebagai dasar rancangan mesin-mesin kalor (motor bakar, turbin, refrigerator).
BAB 3 MOTOR BAKAR Motor bakar (internal combustion engines) adalah sistem daya yang menghasilkan energi dari proses pembakaran didalam ruangan. Ø
Motor bakar tidak bisa beroperasi dalam siklus mesin kalor dapat-balik eksternal, tetapi didekati dengan siklus dapat-balik internal dimana seluruh proses dapat-balik kecuali pemberian panas dan pengambilan panas.
Ø
Kelebihan motor bakar adalah mempunyai efisiensi termis tinggi karena siklus operasi mesin yang bolak-balik (reciprocating).
Ø
Kekurangan motor bakar adalah resiko pencemaran lingkungan karena pembentukan oksida-oksida nitrogen, CO dan hidrokarbon tak terbakar.
3.1. Siklus Otto Siklus Otto adalah siklus daya termodinamika dasar dari motor bakar dengan pembakaran nyala (spark ignition = SI) atau lebih dikenal dengan motor bensin. Terdapat empat proses dalam siklus ini dan diplot pada koordinat P-V dan T-S seperti gambar 3.1.
BAB 3 MOTOR BAKAR P
T 3 S mak
QH V min
4
S mak
1
S min TL
3
V min 2
V mak QL
2 S min
QH
TH
1
4
V mak QL
S
S
Gambar 3.1. Siklus Daya Otto Siklus ini dikenal sebagai volume konstan, karena semua penambahan dan penolakan kalor terjadi pada volume konstan. Secara teoritis suatu campuran udara-bahan bakar ditekan (proses 1-2) secara dapat-balik dan adiabatis sampai volume minimum (piston di titik mati atas). Campuran kemudian dibakar dengan mencetuskan nyala api busi dan energi ditimbulkan dalam proses isometris dapat-balik (proses 2-3, V = Vmin). Gas panas kemudian berekspansi dalam proses adiabatis dapat-balik (proses 3-4, S = Smak), dan panas dibuang ke atmosfir (langkah pembuangan dan pembilasan) dalam proses isometris dapatbalik (proses 4-1, V = Vmak). Proses terakhir sebenarnya terjadi di atmosfir karena gas bekas dibuang dan diganti dengan udara baru.
BAB 3 MOTOR BAKAR Parameter penting siklus Otto ialah perbandingan kompresi, rv, yaitu perbandingan antara volume maksimum dan minimum.
Vmak V1 V4 rv = = = Vmin V2 V3
(3.1)
Dengan pengandaian yang dinyatakan untuk siklus gas ideal, efisiensi siklus Otto adalah :
T1 (1− γ) η th = 1 − = 1 − rv T2
(3.2)
Harga efisiensi ini lebih rendah daripada siklus Carnot, karena T2 ≠ TH. Jika siklus Otto secara total dapat-balik, efisiensi termis menjadi (1 – T1/T3) yang mempunyai harga lebih tinggi dari (1 – T1/T2). Upaya memperbaiki efisiensi : - Mempertinggi perbandingan kompresi - Memakai fluida dengan γ tinggi Upaya yang efektif adalah menaikkan rv.
BAB 3 MOTOR BAKAR 3.2. Siklus Diesel Siklus Diesel merupakan siklus mesin kalor termodinamika yang ideal untuk mesin pembakaran dalam dengan pengapian kompresi (compression ignition = CI) yang biasa disebut mesin diesel. Dalam sistem ini, udara ditekan sampai volume yang sangat kecil, sehingga mempunyai tekanan dan suhu tinggi. Di dekat TMA, bahan bakar disemprotkan ke dalam udara panas dan segera terbakar di dalam silinder. Pengaruh kombinasi antara bahan bakar dan penambahan volume membuat proses penambahan panas mendekat proses isobar. Pada langkah tertentu (fuel-cutoff) pemberian bahan bakar dihentikan dan piston meneruskan ekspansi secara adiabatis hingga mencapai titik mati bawah (volume maksimum). Pada titik ini, langkah buang dan langkah isap mengerjakan proses pembuangan panas pada volume konstan di atmosfir.
BAB 3 MOTOR BAKAR P 2
P mak 3 QH
T QH P mak
S mak 4 S min 1
3 S mak
2
V mak QL
S min 1
4
V mak QL
S
Gambar 3.2. Siklus Daya Diesel Siklus ideal terdiri dari 4 (empat) proses : -
Proses 1-2 : proses kompresi adiabatis (S = Smin)
-
Proses 2-3 : proses penambahan panas isobar
-
Proses 3-4 : proses ekspansi adiabatis dapat-balik
-
Proses 4-1 : proses pembuangan panas isometrik
S
BAB 3 MOTOR BAKAR Dua parameter penting : 1.
Perbandingan volume maksimum dan minimum (rv)
2.
Perbandingan volume akhir pemberian bahan-bakar dan volume minimum (rcf)
volume akhir injeksi bolak - balik rcf = volume minimum
(3.3)
Efisiensi termis ideal :
η th
γ
− 1) cf Cv ( T 4 − T 1 ) =1− =1− ( γ −1 ) − γ C p (T 3 T 2 ) .rv ( rcf − 1 ) (r
(3.4)
Karena hanya udara saja yang ditekan (proses 1-2) tidak terdapat persoalan detonasi seperti siklus Otto dan sistem dapat dioperasikan pada rv yang lebih tinggi. Upaya menaikkan efisiensi adalah dengan mengoptimukan rcf yang menghasilkan kerja spesifik tinggi.
BAB 3 MOTOR BAKAR 3.3.
Motor Bakar Torak
Motor bakar torak adalah mesin yang terdiri dari komponen utama piston dan silinder dimana piston bergerak maju mundur (bolak-balik) di dalam silinder. Secara termodinamik, motor bakar torak terdiri dari 2 jenis utama berdasar sistem penyalaan bahan bakar, yaitu : 1. Mesin bensin/motor bensin berdasar siklus Otto 2. Mesin/motor disel berdasar siklus diesel 3.3.1. Istilah umum Sejumlah peristilahan mesin torak didefinisikan pada gambar 3.3.
BAB 3 MOTOR BAKAR Diameter D Pemasukan Silinder Piston Cincin Pena cincin
Pembuangan Ruang sisa, c TMA Langkah, L TMB
Karter Poros engkol
Batang hubung Pena engkol Engkol
Gambar 3.3. Daftar Istilah Motor Bakar Aksi Tunggal
BAB 3 MOTOR BAKAR -
Diameter (bore) Besarnya diameter silinder
-
TMA (titik mati atas) TMD (titik mati dalam) TDC (top dead center)
-
TMB (titik mati bawah) TML (titik mati luar) BDC (bottom dead center)
-
Langkah (stroke) Jarak terpanjang dimana piston bergerak satu arah
-
Ruang sisa (clearance volume) Volume minimum yang terbentuk dalam silinder apabila piston berada pada TMA
-
Katup isap (intake valve) Untuk memasukkan udara atau campuran udara-bahan bakar ke silinder
BAB 3 MOTOR BAKAR -
Katup buang (exhaust valve) Untuk membuang hasil pembakaran - Perpindahan piston (displacement volume) Volume perpindahan piston dari TMA ke TMB Beberapa susunan yang mungkin untuk silinder diilustrasikan pada gambar 3.4.
Tegak
V
Sudut
W
Sudut berhadapan H Piston berhadapan
Gambar 3.4. Berbagai Susunan Silinder
Radial
BAB 3 MOTOR BAKAR 3.3.2. Klasifikasi Langkah Daya Berdasar jumlah langkah yang menghasilkan daya, MBT diklasifikasikan sebagai siklus dua langkah (two stroke) dan empat langkah (four stroke). Mesin siklus empat langkah membutuhkan empat langkah penuh untuk menyempurnakan satu siklus. Keempat langkah tersebut ditunjukkan pada gambar 3.5 dan terdiri dari langkah kompresi (1) dengan semua katup tertutup, langkah kerja (2) dengan semua katup tertutup, langkah buang (3) dengan katup buang terbuka dan langkah isap (4) dengan katup isap terbuka. Campuran udaraGas keluar bahan bakar masuk
1. Kompresi
2.Ekspansi
3. Buang
4. Isap
Gambar 3.5. Motor Bakar Empat Langkah Penyalaan Api
BAB 3 MOTOR BAKAR Kelebihan mesin siklus empat langkah yaitu : Penghematan bahan bakar Pelumasan lebih baik Pendinginan lebih mudah Pada mesin ini, daya dihasilkan dalam dua kali perputaran poros engkol. Mesin dua langkah mengkombinasikan empat langkah yang dibutuhkan mesin siklus empat langkah hanya dalam dua langkah saja. -
Langkah kompresi Campuran udara-bahan bakar dan dikompresi, menutup saluran pemasukan lalu saluran pengeluaran. Campuran udara-bahan bakar dan oli masuk karter.
-
Langkah ekspansi Energi pembakaran mengekspansi piston, saluran pengeluaran terbuka sehingga gas terbuang. Kemudian saluran pemasukan terbuka sehingga campuran udara-bahan bakar dan oli masuk silinder dari karter (carter case).
BAB 3 MOTOR BAKAR Prinsip kerja motor bakar 4 tak
Injektor api/busi
TC : Top Center P
BC : Bottom Center
BAB 3 MOTOR BAKAR • Langkah hisap (intake stroke) -
Piston bergerak dari Titik Mati Atas (TDC) menuju Titik Mati Bawah (BDG)
-
Campuran udara + bahan bakar masuk silinder. Untuk menaikkan massa, katup inlet dibuka sebelum langkah dimulai dan ditutup setelah ahir langkah
• Langkah kompresi (compression stroke) -
Katup hisap dan buang tertutup. Campuran dala silinder ditekan
-
Mendekati ahir kompresi, pembakaran dimulai, tekanan dalam silinder naik secara cepat
• Langkah keja (Power Stroke) atau langkah expansi -
Gas hasil pembakaran mempunyai tekanan dan temperatur tinggi dan menekan piston bergerak menuju BDC, diteruskan oleh batang torak memutar poros engkol (crank shaft) Saat piston mendekati BDC, katup buang terbuka. Pembuangan gas dimulai dan terjadi penurunan tekanan dalam silinder.
BAB 3 MOTOR BAKAR • Langkah buang (exhaust stroke) - Gas keluar silinder karena beda tekanan. Piston bergerak menuju TDC mendorong gas. Saat mendekati TDC katup inlet dibuka dan katup buang ditutup sesaat setelah piston sampai di TDC. Poros engkol berputar 2 kali selama 4 langkah proses. Dan hanya terjadi satu langkah usaha. Spark plug
Saluran pemasukan
Saluran pengeluaran
crankcase
Campuran udarabahan bakar
Gambar 3.6. Skema Motor Bakar Dua Langkah, Penyalaan Api
BAB 3 MOTOR BAKAR Mesin dua langkah mempunyai keuntungan : Bagian-bagian yang bergerak sedikit Berat mesin dapat dikurangi (ringan) Operasi lebih lancar Mesin ini menghasilkan daya hanya dalam sekali perputaran poros engkol.
BAB 3 MOTOR BAKAR Motor 2 tak : 1. Langkah Kompresi Dimulai denga penutupan katup pemasukan dan katup buang campuran / udara dikompresi dalam silinder. Sementara campuran / udara juga masuk ke dalam “crank case” (rumah poros engkol). Ketika piston mendekati TDC mulai langkah pembakaran. 2. Langkah kerja / expansi Gas hasil pembakaran mendorong piston menuju BDC, menghasilkan kerja. Ketika piston hampir mencapai BDC, katup buang terbuka, sisa gas keluar. Disusul pembukaan katup pemasukan, campuran / udara dari crank case masuk ke dalam silinder (terjadi pembilasan). •
Pada motor 2 tak, poros engkol berputar 1 kali untuk tiap 2 langkah dan menghasilkan 1 langkah usaha.
•
Untuk mesin yang mempunyai ukuran sama, power yang dihasilkan motor 2 tak lebih besar dibandingkan terhadap motor 4 tak.
BAB 3 MOTOR BAKAR 3.3.3. Efisiensi Volumetrik Motor bakar torak sering disebut mesin perpindahan positif (positive displacement) karena piston dan elemen-elemen gerak lainnya bergerak melalui volume terbatas pada tiap siklus. Untuk motor bakar aksi tunggal (single acting) besarnya perpindahan piston (PP) sebesar :
π 2 PP = ( D L)n 4
(3.5)
dimana n adalah jumlah silinder. Untuk motor bakar aksi ganda,
π PP = 2D 2 − d 2 )L 4
(3.6)
dengan d adalah diameter batang piston. Laju isapan isian maksimum teoritis untuk siklus dua langkah,
V' = (PP)N N adalah putaran dalam tiap menit (spm). Untuk siklus empat langkah
(3.7)
BAB 3 MOTOR BAKAR V' = (PP)N/2
(3.8)
Secara aktual, setiap motor bakar menghisap lebih sedikit daripada volume fluida kerja teoritis. Massa fluida aktual yang dihisap tiap siklus dibanding massa fluida teoritis per siklus yang dihisap disebut efisiensi volumetrik (ηv).
m/spm ηv = PP/Va
(3.9)
m : laju aliran massa aktual (udara yang disuplai) Va : volume spesifik fluida pada kondisi sekitar Persamaan efisiensi volumetris menjadi :
ηv =
mVa (PP)(spm)
(3.10)
BAB 3 MOTOR BAKAR 3.3.4. Unjuk Kerja Mesin Ada beberapa faktor unjuk kerja yang umum untuk semua mesin dan penggerak mula - Bhp (brake horsepower), daya kuda rem Daya yang diberikan ke poros penggerak oleh mesin. Biasanya daya ini diukur dengan beberapa macam dinamometer seperti dinamometer listrik (generator atau arus eddy), rem air atau rem gesek. Bhp diukur dengan menentukan reaksi dinamometer dengan memakai rumus :
2πWRNd Bhp = 33.000
dimana
(3.11)
W
: gaya reaksi netto dinamometer (lbf)
R
: jari-jari lengan dinamometer (ft)
Nd
: kecepatan sudut dinamometer (rpm)
Satuan Bhp adalah kW atau dk atau hp. 1 kW
= 1,341 hp
1 hp
= 0,746 kW
BAB 3 MOTOR BAKAR - Ihp (indecated horsepower), daya siklus fluida Adalah daya yang diberikan kepada piston oleh fluida kerja. Daya ini ditentukan dengan menggunakan diagram indikator. Bhp dan ihp diilustrasikan dengan gambar 3.7.
mesin ihp
bhp rpm
Gambar 3.7. Ilustrasi Bhp dan Ihp -
Fhp (friction horse power), daya kuda gesekan Antara daya kuda poros dan daya kuda indikasi selalu terdapat sejumlah kerugian gesekan, sehingga daya berguna lebih kecil dari pada daya masukan. Fhp adalah perbedaan antara Ihp dan Bhp : Bhp = Ihp – Fhp Catatan : untuk pompa dan kompresor, Bhp = Ihp + Fhp
(3.12)
BAB 3 MOTOR BAKAR - Efisiensi mekanis (ηm) Adalah kemampuan mesin untuk meneruskan energi mekanis. Efisiensi mekanis adalah perbandingan antara keluaran daya dan masukan daya.
Bhp Pb ηm = = Ihp Pi Pb = bmep
(3.13)
= brake mean effective pressure = tekanan efektif rata-rata rem
Pi = imep
= indicated mean effective preesure = tekanan efektif rata-rata indikasi
Efisiensi termal poros Efisiensi termal keseluruhan suatu motor bakar dinyatakan sebagai :
2545 (bsfc)(LHV ) 3600 = (bsfc)(LHV ) ηth =
(British)
(3.14)
(SI)
(3.15)
BAB 3 MOTOR BAKAR bsfc
= brake specific fuel consumtion =konsumsi bahan bakar spesifik rem
satuan bsfc : lbm/j.hp atau kg/j.kW bsfc =
pemakaian
bahan Bhp
LHV
= lower heating value
bakar
= nilai pembakaran bawah satuan LHV : Btu/lbm atau kJ/kg konversi satuan bsfc
1 lb/jhp = 0,6084 kg/jkW
LHV
1 Btu/lbm = 2,326 kJ/kg
(3.16)
BAB 4 TURBIN GAS Turbin adalah pesawat yang mengubah energi mekanis yang tersimpan di dalam fluida menjadi energi mekanis rotasional. Beberapa jenis turbin menurut fluida kerjanya : Turbin uap Turbin gas Turbin air Turbin angin/kincir angin 4.1. Siklus Daya Turbin Ideal Siklus daya Brayton adalah siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas atau mesin turbojet. Siklus Brayton termasuk sistem yang dapat beroperasi dengan pembakaran luar. Keuntungan sistem pembakaran luar antara lain : - Kurang mencemari lingkungan dibanding sistem motor bakar. CHx dan CO dapat dikurangi secara drastis dengan cara pembakaran dengan udara lebih - Dapat memakai bahan bakar yang lebih rendah, misalnya batu bara, minyak reisdu.
BAB 4 TURBIN GAS Siklus daya Brayton adalah siklus empat proses yang ditunjukkan pada gambar 4.1. Diagram P-V dan T-S untuk sistem terbuka tidak ada aliran fluida dari turbin ke kompresor (proses 4.1), sebab fluida kerja dibuang ke atmosfir setelah melewati turbin.
Qa
Siklus Tertutup
P P mak 2
T
3
3
Qa P mak
S mak
S mak
2 S min
4
S min 1
P min
4
1
P min
Qr
Qr S
S
BAB 4 TURBIN GAS Qa Ruang Pembakaran Qa 2 Kompresor
3
Kompresor
Turbin
2
3
Turbin
W 1
4
Atmosfir
W 1
4
Atmosfir
Siklus Terbuka
Qr Siklus Tertutup
Gambar 4.1. Sistem dan Siklus Kerja Braytonideal
BAB 4 TURBIN GAS Fluida kerja dikompresi secara adiabatis dapat-balik di kompresor (proses 1-2), panas ditambahkan dalam proses isobarik dapat-balik (P = Pmak, proses 2-3) di dalam ruang pembakaran atau penukar panas, gas panas berekspansi secara adiabatis dapat-balik (isentropi S = Smak) di dalam turbin (proses 3-4), dan kemudian panas dibuang dalam proses isobarik dapat-balik (proses 4-1,P = P-min). •
•
Siklus terbuka : -
Fluida kerjanya udara atmosfir
-
Pengeluaran panas di atmosfir
Siklus tertutup : -
Fluida kerjanya bebas
-
Pengeluaran panas di alat penukar panas
BAB 4 TURBIN GAS Kebanyakan turbin gas bekerja pada siklus terbuka. Parameter penting dalam siklus Brayton sederhana adalah angka perbandingan tekanan kompresor (rp) yang merupakan perbandingan tekanan sistem maksimum dan minimum. P2 rp = (4.1) P1 Panas masuk (Qa) dan pans keluar (Qr) diekspresikan : Qa = Q2-3 = h3 – h2 = m.Cp (T3 – T2) Qr = Q4-1 = h4 – h1 = m.Cp (T4 – T1)
(4.2) (4.3)
Efisiensi siklus Brayton ideal,
network output + process heat delivered εu = total heat input W net + Q p = Q in Q = 1 − out Q in
(4.3.a) (4.3.b) (4.3.c)
BAB 4 TURBIN GAS Proses (1-2) dan (3-4) adalah isentropis dan P2 = P3 dan P4 = P1, maka : P T2 = 2 T1 P1
(γ −1)/γ
P = 3 P4
(γ −1)/γ
=
T3 T4
⇒
T4 T3 = T1 T2
(4.3.d)
sehingga persamaan (4.3.d) menjadi :
η th
1 1 = 1− = 1 − (γ −1)/γ = 1 − rp(1− γ )/γ T2 /T1 rp
(4.3.e)
Menurut persamaan (4.3.e), kenaikkan rp dan γ dapat menaikkan efisiensi dari siklus Brayton sederhana. Naiknya rp, menaikkan ηth dan suhu pembuangan kompresor. Jika suhu masuk turbin dibatasi kondisi material, kenaikan rp bisa menurunkan kerja spesifik siklus sehingga membutuhkan aliran gas yang lebih banyak untuk mendapatkan daya keluaran yang sama. Jadi efisiensi termal turbin gas tergantung pada temperatur maksimum gas yang diijinkan pada sisi inlet turbin. Pemilihan bahan sudu turbin merupakan langkah awal untuk mempertinggi efisiensi termis. Pelapisan sudu turbin dengan keramik biasa dilakukan agar dapat beroperasi pada suhu tinggi.
BAB 4 TURBIN GAS Dua aplikasi umum turbin gas adalah pada propulsi pesawat terbang dan pembangkit daya listrik. Pada pesawat terbang, turbin gas memproduksi daya yang cukup untuk menggerakkan kompresor dan generator yang menggerakkan peralatan tambahan. Gas keluar dengan kecepatan tinggi memproduksi gaya dorong (thrust). Kadang turbin gas dikopel dengan instalasi pembangkit daya uap. Gas keluar turbin memberikan panas untuk memproduksi uap. Pada pembangkit daya turbin gas, perbandingan kerja kompresor dan kerja turbin (disebut rasio kerja balik, back work ratio) sangat tinggi. Hal ini kurang menguntungkan apabila efisiensi adiabatis kompresor dan turbin rendah. Berbeda dengan pembangkit daya uap dimana rasio kerja baliknya rendah. Pembangkit dayadengan rasio kerja balik tinggi membutuhkan kapasitas turbin yang besar untuk menyediakan daya yang diperlukan kompresor. Oleh karana itu turbin yang dipakai dalam pembangkit daya turbin gas lebih besar kapasitasnya dibanding turbin yang dipakai pada pembangkit daya uap untuk daya output yang sama.
BAB 4 TURBIN GAS Wbersih Wturbin Kerja balik (back work)
Wkompresor
Gambar 4.2. Illustrasi Kerja Balik 4.2. Siklus Daya Turbin Aktual Siklus turbin gas aktual berbeda dari siklus ideal Brayton dalam beberapa hal. Penurunan tekanan selama penambahan panas dan pembuangan panas tidak dapat dielakkan. Kerja masukan kompresor aktual berlebihan, dan kerja keluaran turbin aktual kurang berkurang akibat irreversibilitas karena gesekan pada alat ini. Oleh karena itu, perhitungan untuk kondisi aktual harus mempertimbangkan efisiensi kompresor dan turbin :
BAB 4 TURBIN GAS
Ws h 2s − h 1 ηc = ≅ Wa h 2a − h 1
(4.4)
Wa h 3 − h 4a ηT = ≅ Ws h 3 − h 4s
(4.5)
Penurunan tekanan selama penambahan panas
: isobar : aktual : ideal
T 3 2s 2a
4a Qa
1
4s
Penurunan tekanan selama pembuangan panas
Qr
S
Gambar 4.3. Siklus Turbin Gas Aktual
BAB 4 TURBIN GAS Keadaan 2a dan 4a adalah kondisi keluaran aktual pada kompresor dan turbin sedang keadaan 2s dan 4s menyatakan kondisi isentropik. Efisiensi termis,
η th
Wnet (h 3 − h 4a ) − (h 2a − h 1 ) = = Qa h 3 − h 2a
(4.6)
4.3. Siklus Brayton Dengan Regenerasi Pada turbin gas, temperatur gas keluar turbin lebih tinggi daripada temperatur udara yang meninggalkan kompresor. Udara tekanan tinggi keluar kompresor dapat dipanaskan sebelum masuk ruang pembakaran memakai alat penukar kalor aliran berlawanan (counter flow heat exchanger) dengan gas keluar turbin. Alat ini disebut regenerator atau recuperator.
BAB 4 TURBIN GAS Regenator 6
Produk pembakaran 2
3
5
4
R. pembakaran
1
W
Turbin
(a)
Kompresor
T
P=C
Qa 3
P=C
Regenasi 5’ 5
4
2 6’
Gambar 4.4. Siklus Turbin Gas Regenerasi
6
1
(a)
Qr
skematik
(b) diagram T-S (b)
S
BAB 4 TURBIN GAS Efisiensi termal siklus Brayton bertambah dengan pemakaian regenerator. Hal ini berkat adanya pengurangan panas masuk ke ruang bakar yang dibutuhkan pada kerja keluaran yang sama. Dengan asumsi regenerator diisolasi sempurna dan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan maka perpindahan panas aktual dan maksimum dari gas keluar turbin ke udara adalah : q regen, aktual = h5 – h2
(4.7)
dan q regen, maksimum = h5’ – h2 = h4 - h2
(4.8)
Efektifitas regenerator,
h5 − h2 q regen, aktual ε= = q regen, maksimum h4 − h2
(4.9)
Jika panas spesifik (Cp) dianggap konstan,
T5 − T2 ε= T4 − T2
(4.10)
BAB 4 TURBIN GAS Konsekuensi pemasangan regenerator : a. Penghematan bahan bakar b. Jika ∈ tinggi, butuh ukuran yang besar sehingga penurunan tekanan juga besar Berdasar konsekuensi tersebut, dalam prakteknya efektifitas regenerator berharga 0,7 atau kurang. Efisiensi termal siklus Brayton ideal dengan regenerator adalah :
η th
T1 =1− T 3
(γ −1)/γ ( ) r p
(4.11)
4.4.Siklus Brayton Dengan Intercoding dan Reheating Kerja bersih siklus turbin gas adalah selisih antara kerja output turbin dan kerja input kompresor. Kerja bersih dapat ditingkatkan dengan menambah kerja turbin atau mengurangi kerja kompresor atau dengan keduanya. Kerja kompresor dapat dikurangi dengan memasang intercooler antara dua buah kompresor. Kerja turbin dapat ditingkatkan dengan menambah reheater antara dua buah turbin.
BAB 4 TURBIN GAS intercoder
2
1
Tekanan konstan
3
Ruang pembakaran
reheater
5
Tekanan konstan
4
Kompresor tingkat 2
Kompresor tingkat 1
6
Turbin tingkat 1
7
Turbin tingkat 2
8
W
(a)
T
P4= P5 P6= P7 5 Qa
Qa
7 6
4 3
8
2
Gambar 4.5. Turbin Gas Dua Tingkat Dengan Intercooling dan Reheating (a)
1
skematik
(b) diagram T-S (b)
S
BAB 4 TURBIN GAS Semakin banyak tingkat kompresor, kompresi menjadi isotermis. Semakin banyak tingkat turbin, proses ekspansi menjadi isotermis. Pada aliran stedi, kerja kompresi dan ekspansi berbanding lurus dengan volume spesifik. Volume spesifik fluida kerja pada proses kompresi dipertahankan serendah mungkin dan dibuat setinggi mungkin untuk proses ekspansi. P P2
Proses politropik D C Pengiritan kerja karena intercooling B A Proses isotermal intercooling
P1 1 V
Gambar 4.6. Perbandingan Kerja Input Kompresor Satu Tingkat (1AC) dan Kompresor Dua Tingkat (1ABD) dengan Intercooling
BAB 4 TURBIN GAS Pada kondisi ideal, efisiensi turbin,
Wnet (h 5 − h 6 ) + (h 7 − h 8 ) − (h 4 − h 3 ) − (h 2 − h 1 ) (4.12) η th = = Qin (h 5 − h 4 ) + (h 7 − h 6 ) dan
P7 P2 P4 P5 = , = P1 P3 P6 P8
(4.13)
Rasio kerja balik turbin gas dapat diperbaiki sebagai hasil intercooling dan reheating. Bagaimanapun, hal ini tidak berarti bahwa efisiensi termis dapat pula diperbaiki. Pada kenyataannya, intercooling dan reheating akan mengurangi efisiensi termis kecuali kalau dipasang juga regenerator. Hal ini disebabkan intercooling mengurangi temperatur rata-rata dimana panas ditambah (Qa) dan reheating menambah temperatur rata-rata dimana panas dibuang (Qr).
BAB 4 TURBIN GAS Regenerator
10
Intercoder Reheater
5
9 2
3
Ruang pembakaran 6
4
7
8
W 1 Kompresor tingkat 1
Kompresor tingkat 2
Turbin tingkat 1
Turbin tingkat 2
(a)
P= C T Qa
Qregen
5 7
2
4
6
10 3
Qr 1
8
P=C P=C
Qa 9 Qregen = Qsaved
Gambar 4.7. Turbin Gas Dua Tingkat Dengan Intercooling, Reheating dan Regenerasi (a)
Qr
skematik
(b) diagram T-S (b)
S
BAB 4 TURBIN GAS Efisiensi termal turbin,
Wnet Wturb.out − Wkomp.in η th = = Qin − Qprimer + Qreheat (h − h 7 ) + (h 8 − h 9 ) − (h 4 − h 3 ) − (h 2 − h 1 ) = 6 (h 6 − h 5 ) + (h 8 − h 7 )
(4.14)
Bandingkan persamaan (4.14) dengan persamaan (4.12). Pada proses ideal, seluruh proses adalah reversibel secara internal dan tidak terjadi penurunan tekanan selama intercooling dan reheating (P2 = P3 dan P7 = P8). Untuk sistem kompresi dan ekspansi dua tingkat, kerja input dapat diminimalkan serta kerja output dapat dimaksimalkan jika tiap-tiap tingkat kompresor dan turbin mempunyai perbandingan tekanan yang sama (persamaan 4.13).
P4 P4 /P3 P4 /P3 P2 /P1 P2 rp = = = = = P1 P1 /P3 P1 /P2 P1 /P2 P1
2
BAB 4 TURBIN GAS P2 sehingga, = rp P1
(4.15)
dimana rp adalah perbandingan tekanan menyeluruh (overall pressure ratio). 4.5. Siklus Propulsi-Jet Ideal Mesin turbin gas secara luas dipakai untuk pembangkit daya pada pesawat terbang karena ringan dan kompal kontruksinya serta mempunyai perbandingan daya-berat yang tinggi. Turbin gas pesawat terbang yang beroperasi pada siklus terbuka disebut siklus propulsi-jet. P dan T tinggi 4 T
P = konstan Qin 3
Vinlet 5 6
2
3
6
4
Vexit
5
1
2 Qo ut 1 P = konstan S difuser
kompresor
R. bakar
turbin
nosel
Gambar 4.8. Diagram T-S Siklus Turbo-jet Ideal dan Komponen Dasar mesin Turbo-jet
BAB 4 TURBIN GAS Perbedaan propulsi-jet ideal dengan siklus Brayton sederhana ideal adalah bahwa gas tidak diekspansikan ke tekanan udara sekitar. Gas keluar turbin mempunyai tekanan cukup tinggi dan kecepatannya dipercepat oleh adanya nosel untuk menghasilkan gaya dorong (thrust) yang mendorong pesawat (gambar 4.8). Biasanya pesawat terbang mempunyai turbin gas yang beroperasi pada perbandingan tekanan tinggi (10 sampai 25). Pada kondisi ideal, kerja turbin diasumsikan sama dengan kerja kompresor. Proses pada difuser, kompresor, turbin dan nosel dianggap isentropik. Pada analisis siklus aktual, irreversibilitas pada tiap komponen harus dipertimbangkan. Efek irreversibilitas adalah mengurangi daya dorong yang dihasilkan dari mesin turbojet. Daya dorong yang dihasilkan, F
= (mV)exit – ( mV)inlet = m(Vexit – Vinlet)
(N)
dimana m adalah laju aliran massa udara yang melewat mesin.
(4.16)
BAB 4 TURBIN GAS Tenaga yang dihasilkan dari thrust disebut tenaga/day propulsi (Wp), Wp = (F) Vpesawat = m (Vexit – Vinlet) Vpesawat Efisiensi propulsi,
ηp =
Wp
(4.17) (4.18)
Q in
Qin adalah energi panas bahan bakar selama pembakaran. Efisiensi propulsi adalah ukuran keefisienan energi pembakaran yang dapat dikonversikan ke energi propulsi.
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Siklus daya gas (pada bab 4) fluida kerja tetap berada dalam satu fase. Siklus daya uap mempunyai fluida kerja yang mengalami perubahan fase dari uap ke cairan dan sebaliknya. Perubahan dari uap ke cairan terjadi di kondenser dan dari cairan ke uap terjadi di boiler (ketel uap). Air adalah fluida kerja yang umum dipakai dalam siklus daya uap meskipun ada beberapa fluida yang dapat dipakai, misalnya air raksa, potasium, sodium dan amonia. 5.1. Siklus Rankine Ideal Siklus ideal termodinamika dasar uap ialah siklus Rankine. Siklus ini tidak mempertimbangkan irreversibilitas pada komponen-komponennya yaitu pompa, boiler, turbin uap dan kondenser. Empat proses dalam siklus Rankine adalah : 1-2 : kompresi isentropik di pompa 2-3 : P = konstan, penambahan panas di boiler 3-4 : ekspansi isentropik pada turbin 4-1 : P = konstan, pembuangan panas dikondenser
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Qin Boiler 3
2 Wpompa, in
Wturb, out
Turbin 4
Pompa 1
AIR
T
Kondenser
Qin
3
cair Qout
Wturb, out
Cair + uap
2 1
Qout
4
uap
Wpompa, in
Gambar 5.1. Skema dan Diagram T-S Siklus Ideal Rankine
S
Air pada kondisi cairan jenuh (satured liquid) masuk pompa di titik 1 dan dikompresi secara adiabatik sampai ke tekanan operasi boiler/ketel (titik 2). Air masuk boiler dalam keadaan bertekanan dan meninggalkan boiler pada kondisi uap panas lanjut (superheated vapor) di titik 3. Boiler adalah sebuah alat penukar kalor yang besar dimana terdapat sumber panas dari pembakaran gas, reaktor nuklir, dan sumber lain. Boiler sering disebut steam generator.
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Uap panas lanjut masuk turbin dimana uap diekspansi secara isentropik dan menghasilkan kerja lewat poros yang terhubung ke generator listrik. Tekanan dan temperatur selama proses ini turun sampai titik 4 dimana uap masuk kondenser. Dalam keadaan ini uap berada pada campuran cairan jenuh-uap dengan kualitas tinggi. Kemudian campuran cairan uap dikondensasikan pada tekanan konstan. Uap keluar kondenser dalam keadaan cairan jenuh dan selanjutnya masuk ke pompa. Pada gambar 5.1, luasan di bawah kurva 2-3 menggambarkan panas yang ditransfer ke air di boiler dan luasan di bawah kurva proses 4-1 menggambarkan panas yang dibuang di kondenser. Selisih kedua luasan tersebut adalah kerja bersih yang dihasilkan selama siklus. Analisis Energi -
Pompa (Q = 0) atau
Wpompa, in = h2 – h1
(5.1)
Wpompa, in = V (P2 – P1)
(5.2) (5.3)
-
Boiler (W = 0)
Qin
= h3 – h2
-
Turbin (Q = 0)
Wturb, out = h3 – h4
(5.4)
-
Kondenser (W = 0)
Qout
(5.5)
= h4 – h1
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP -
Efiisensi termal,
η th =
Wnet Qout = 1− Qin Qin
(5.6)
dimana Wnet = Qin – Qout = Wturb, out – Wpompa, in (5.7) h1 = hf pada P1 dan V ≅ V1=V1/2 pada P1 (5.8) hf adalah entalpi cairan jenuh, Vf adalah volume spesifik cairan jenuh. 5.2. Siklus Daya Uap Aktual Siklus daya uap aktual terjadi akibat irreversibilitas pada tiap komponen. Sumber irreversibilitas adalah gesekan fluida dan panas yang hilang ke lingkungan. Gesekan fluida menyebebkan penurunan tekanan pada boileh, kondenser dan pipa-pipa penghubung, sehingga untuk kompensasinya, air harus dipompa pada tekanan yang cukup. Akibat adanya panas hilang, maka lebih banyak panas yang dibutuhkan oleh boiler untuk mempertahankan kerja output. Hal yang penting adalah irreversibilitas pada pompa dan turbin. Sebagai hasil irreversibilitas adalah kebutuhan kerja input yang besar pada pompa dan kecilnya produk kerja output pada turbin.
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP T
T
Siklus ideal Penurunan tekanan di bolier 3
3 Irreversibilitas turbin 2a 2s
Irreversibilitas pompa 2 Siklus aktual 4 1 Penurunan tekanan di kondenser
(a)
S
1
4s 4a S
(b)
Gambar 5.2. Siklus Daya Uap Rankine (a) Pergeseran Siklus Aktual dari Siklus Ideal (b) Efek Irreversibilitas Pada Pompa dan Turbin Perbedaan keadaan aktual pompa dan turbin dari keadaan isentropik adalah : Efisiensi pompa, Efisiensi turbin,
Ws h 2s − h 1 ηp = = Wa h 2a − h 1 ηT =
Wa h 3 − h 4a = Ws h 3 − h 4s
(5.9) (5.10)
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP 5.3. Siklus Rankine Ideal Dengan Reheat Reheating adalah upaya untuk memperbaiki efisiensi termal. Reheating adalah cara untuk menyelesaikan permasalahan berlebihnya uap (moisture) di dalam turbin akibat tingginya tekanan boiler. Uap panas (steam) diekspansikan di turbin dalam dua tingkat kemudian antara tingkat turbin dilakukan reheat. 3
Boiler
Turbin tekanan rendah Turbin tekanan tinggi
T
Reheating Turbin tekanan 3 5 tinggi Turbin tekanan rendah
4
Reheater 4 6
2
5 2
Kondenser
1
6
Pompa 1
Gambar 5.3. Siklus Rankine Ideal Dengan Reheat
S
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Total panas input, Qin = Qprimer + Qreheat = (h3 – h2) + (h5 – h4),
(5.11)
Panas yang dibuang, Qout = h6 – h1
(5.12)
Kerja turbin keluar, Wturb, out = Wturb, 1 + Wturb, 2 = (h3 – h4) + (h5 – h6)
(5.13)
Efisiensi termal dapat dihitung dari persamaan (5.6). 5.4. Siklus Rankine Ideal dengan Regenerasi Prinsip regenerasi adalah usaha mempertinggi temperatur cairan yang meninggalkan pompa sebelum cairan masuk boiler. Cairan atau air pengisi boiler sering disebut feedwater. Air pengisian dipanaskan dengan mengalirkan sebagian uap dari turbin ke suatu alat yang disebut regenerator, dimana terjadi perpindahan panas antara uap dan air.
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Keuntungan regenerasi : -
Memperbaiki efisiensi siklus
-
Menjaga korosi boiler akibat adanya udara dalam air pengisian.
Pemanas air pengisian (feedwater heater) adalah sebuah alat penukar kalor dimana kalor ditranfer dari uap panas ke air pengisian baik dengan mencampur aliran kedua fluida (open feedwater heater) atau tanpa pencampuran (closed feedwater). Open feedwater heater Sebuah pemanas air pengisian terbuka (open feedwater heater) mempunyai kotak pencampur dimana uap dipisah dari turbin dan dicampur dengan air pengisian setelah keluar dari pompa . Idealnya, campuran keluar pemanas sebagai cairan jenuh pada tekanan pemanas.
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP 5 Turbin
5
1 -y 7 y 6
Boiler
Kondenser
Open FWH
4
3
4 y
6
3
2
1 -y 2
1
7
1 Pompa II
Pompa I
Gambar 5.4. Skema dan Diagram T-S Open Feedwater Heater pada Siklus Rankine Ideal Analisis energi, Untuk tiap kilogram uap yang keluar boiler qin = h5 – h4
(5.14)
qout = (1 – y) (h7 – h1)
(5.15)
Wturb, out = (h5 – h6) + (1 – y) (h6 – h7)
(5.16)
Wpoma, in = (1 –y) Wpompa I,in + Wpompa II, in
(5.17)
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Dimana y = m6/m5 (fraksi uap yang dipisah dari turbin) Wpompa I, in = V1(P2 – P1) Wpompa II, in = V3(P4 – P3) Semakin termal siklus Rankine, semakin bertambah jika pemakaian pemanas air pengisian semakin banyak. Beberapa pembangkit tenaga uap memakai pemanas air pengisian sebanyak 8 buah.
Closed Feedwater Heater Sebagian panas dari turbin dipakai untuk memanaskan air dari pompa pertama. Perpindahan panas terjadi tanpa adanya percampuran. Diagram skematik dan diagram T-S seperti gambar berikut :
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP 6 Turbin Qin
y 7
Boiler
T 6 8 1-y Kondenser Qout
54 9 2
CFWH 5
Mixing Chamber
9
Pompa II
7
1-y 3
4
y 3
2
1
Pompa I
1
8 S
Gambar 5.5. Diagram Skematik dan T-S Sistem CFWH Analisis energi, Untuk tiap kilogram uap yang keluar boiler, qin = h6 – h5 qout = (1 – y) (h8 – h1) Wturb, out = (h6 – h7) + (1 – y) (h7 – h8) Wpompa, in = (1 –y) Wpompa I + Wpompa II Wpompa I = V1(P2 – P1) Wpompa II = V3(P4 – P3) Keseimbangan energi di CFWH Ein = Eout Yh7 + (1 – y)h2 = (1 – y)h9 + yh3
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP y=
h9 − h2 (h 7 − h 2 ) + (h 9 − h 3 )
5.5. Cogeneration Pada siklus turbin uap, terdapat sejumlah panas terbuang (Qout). Panas ini dapat dimanfaatkan untuk proses pemanasan yang sering dibutuhkan dalam industri, misal untuk produksi uap panas (steam). Cogeneration adalah sebuah siklus turbin uap yang dapat memproduksi sekaligus tenaga listrik (dari turbin) dan energi panas dari kondenser yang dipakai untuk proses pemanasan.
Turbin Boiler
20 kW
Proses pemanasan
120 kW
100 kW Pompa
Gambar 5.6. Sistem Cogeneration Ideal
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Keterangan : - Untuk energi yang masuk boiler sebesar 120 kW, dapat diproduksi energi listrik 20 kW dan energi sisa 100 kW dipakai untuk proses pemanasan. - Fungsi kondenser pada siklus Rankine ideal diganti oleh alat penukar kalor. - Kerja pompa siklus cogeneration dapat diabaikan, Wpompa ≈ 0 karena sangat kecil. Idealnya semua energi yang diterima uap di boiler dipakai untuk menghasilkan energi listrik dan proses pemanasan, jadi tidak ada panas terbuang. Dikenal faktor utilisasi : εu = =
network output + process heat delivered total heat input W net + Q p in
= 1−
Q Q out Q in
(5.18a)
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Qout adalah panas yang terbuang pada proses pemanasan dan pada pipa instalasi. Biasanya faktor utilisasi sistem cogeneration aktual adalah 70%.
5.6. Combined Gas-Vapor Power Cycles Siklus tenaga uap dan gas dapat dikombinasikan. Kombinasi ini lazim disebut combined cycle atau hybrid cycle. Keuntungan aplikasi ini adalah : - Panas yang ditambah (Qin) dapat setinggi mungkin dan panas yang dibuang (Qout) serendah mungkin. - Produk pembakaran turbin gas mempunyai suhu rendah karena dipakai untuk memanaskan boiler sehingga menurunkan polusi udara/lingkungan.
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Qin
7 T
R. Bakar 6 Siklus Gas
6 9 5
5
Kompresor
3
8
7
Turbin gas
2
Heat exchanger 9 Exhaust gas
8
mg
ms
3
1
2
S Siklus Uap
Pompa
4
Turbin uap
1
4
Qout
Kondenser
Gambar 5.7. Diagram Skema dan T-S Cobined Cycle
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Kesetimbangan energi di Heat exchanger : Qo – Wo = Σ me he - Σ mi hi Σ me he = Σ mi hi mg hg + ms h3 = mg h8 + ms h2 ms (h3 - h2) = mg (h8 - h9)
ms h8 − h9 = =y mg h3 − h 2 y adalah rasio laju aliran massa uap dan gas. Kerja bersih,
BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAP Wnet = Wnet, gas + y Wnet, uap ↓
↓
Wout – W-in
Wout – W-in
[(h7 – h8) – (h6 – h5)] [(h3 – h4) – (h2 – h1)] ↓ turbin
↓
↓
kompresor turbin
Efisiensi termal,
Wnet ηth = qin
↓ pompa
