Kuliah 3

Perubahan Kalor Menjadi Energi Gerak

Tenaga (Power) Efisiensi steam-power plant konvensional berbahan

bakar fosil biasanya tidak lebih dari 35%. Tetapi, efisiensi lebih dari 50% dapat dicapai dengan kombinasi pembangkit tenaga ganda: Dari turbin dengan teknologi terbaru. Dari siklus mesin uap yang beroperasi dengan panas gas

buang dari turbin. Pada pembangkit tenaga konvensional energi

molekuler bahan bakar dilepaskan dengan adanya proses pambakaran. Sebagian panas pembakaran dikonversi menjadi energi mekanik.

Mesin Uap Mesin Carnot:

Beroperasi secara reversibel dan terdiri atas dua langkah isotermal yang dihubungkan oleh dua langkah adibatis.

Kerja yang dihasilkan:

Efisiensi termal:

Efisiensi termal dari siklus Carnot, sebagai siklus reversibel, dapat dijadikan perbandingan pada standar mesin uap yang sebenarnya.

|||||| CH QQW =

H

C

H TT

QW

= 1||||

Siklus Rankine

Model siklus alternatif yang digunakan sebagai standar, untuk masin yang menggunakan bahan bakar fosil.

1 2: Proses pemanasan pada tekanan konstan dalam boiler.

2 3: Ekspansi reversibel, adiabatis (isentropis) dari uap di dalam turbin kepada tekanan kondenser.

3 4: Proses pada tekanan dan temperatur konstan dalam kondenser untukmenghasilkan cairan jenuh di titik 4. 4 1: Pemompaan reversibel, adiabatis (isentropis) cairan jenuh kepadatekanan dalam boiler, menghasilkan cairan bertekanan (lewat dingin).

Steam dibuat pada power plant pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500C kemudian diumpankan pada turbin. Keluaran turbin masuk ke kondenser pada 10 kPa, di mana akan diembunkan menjadi cairan jenuh, dan kemudian dipompakan ke boiler. (1) Berapa efisiensi termal siklus Rankine pada kondisi operasi tersebut? (2) Berapa efisiensi termal sebenarnya siklus yang beroperasi pada kondisi tersebut jika efisiensi turbin dan pompa masing-masing 0,75? (3) Jika daya siklus mesin pada pertanyaan (2) adalah 80000kW, berapa kecepatan steam dan berapa kecepatan perpindahan massa dalam boiler dan kondenser?

Turbin (2 3) : ( ) kgkJHisentropicW Ss 2.1274)( == kg

kJH 4.21773 =

Entalpi cairan jenuh pada 10 kPa: kgkJH 8.1914 =

Kondenser (3 4): kgkJHHQ 6.192534 ==

Pompa (4 1): ( ) kgkJHisentropicW Ss 7.8)( == kg

kJH 5.2001 =

(1) Entalpi superheated steam pada 8600 kPa dan 500 C: kgkJH 6.33912 =

Boiler (1 2): kgkJHHQ 1.319112 ==

3966.01.3191

7.82.1274||

|)(|=

+=

boiler

s

QRankineW)()()( condenserQboilerQRankineWs =

(2) Efisiensi turbin 0.75: ( ) kgkJHturbineW Ss 6.955)( ==

kgkJHHH 0.243623 =+=

Kondenser (3 4): kgkJHHQ 2.224434 ==

Pompa (4 1): ( ) kgkJHpumpWs 6.11)( ==

Kerja net dari siklus: kgkJ

netWs 0.9446.116.955)( =+=&

kgkJHHH 4.20341 =+=

Boiler (1 2): kgkJHHQ 2.318812 == 2961.02.3188

0.944|||)(|

==

boiler

s

QnetW

Entalpi cairan jenuh pada 10 kPa: kgkJH 8.1914 =

Daya 80000kW)()( netWmnetW ss && =(3)

s

kgm 75.84

0.94480000

=

=&

s

kJboilerQmboilerQ 270200)()( == &&

s

kJcondenserQmcondenserQ 190200)()( == &&

Siklus Regeneratif

|Qboiler| untuk menurunkan: tekanan dan temperatur tinggi pada boiler Pada prakteknya, jarang beroperasi pada tekanan jauh di atas

10,000 kPa atau temperatur jauh di atas 600C. |Qcondenser| untuk menurunkan: temperatur dan tekanan

rendah pada kondenser Pada kenyataannya temperatur kondensasi harus lebih tinggi dari

temperatur media pendingin dan tekanan dibuat serendah mungkin. Air dari kondenser, mula-mula dipanaskan dengan steam

yang diperoleh dari turbin sebelum dikembalikan ke dalam boiler.

|Q||)net(W|

boiler

s )()()( condenserQboilerQRankineWs =

Tentukan efisiensi termal dari power plant pada gambar, asumsi efisiensi pompa dan turbin 0,75. Jika daya sebesar 80000 kW, berapa kecepatan steam dari boiler, dan berapa kecepatan transfer panas pada boiler dan kondenser?

Basis: 1 kg steam masuk turbin dari boiler. Karena steam diambil pada akhir tiap-tiap sesi, laju alir pada turbin berkurang dari satu sesi ke sesi yang lain. Jumlah steam yang diambil dari empat sesi pertama dapat dijelaskan dengan neraca energi:

).()1( TconstPTVH = Untuk air cair pada 226 C, steam table:

kPaP sat 2.2598= kgkJH 5.971=

kgcmV

3

1201=K110582.1 3=

Empat inkremen: ( ) kgkJH 5.1

10)2.25988600()15.499)(10528.1(11201 63 =

=

kgkJHliqsatHH 0.973.).( =+=

Hasil, T (C) 226 181 136 91 46 H (kJ/kg) 973.0 771.3 577.4 387.5 200.0

Sesi 1

Asumsi ekspansi isentropis steam pada sesi 1 menjadi 2900 kPa:( )

kgkJH S 5.320=

Sebelum masuk: superheated steam pada 8600 kPa, t = 500C

( )kgkJHH S 4.240==

Entalpi steam meninggalkan sesi 1: kgkJHHH 2.313112 =+=

Neraca energi pemanas air umpan: 0)( = cvHm&

0)3.7710.973)(1()2.31515.999( =+mBasis 1 kg steam masuk turbin

kgm 09374.0=

kJWs 4.240)1(sec =

Sesi 2

Asusmsi ekspansi isentropis steam pada sesi 2 menjadi 1150 kPa. Entalpi steam meninggalkan sesi 2:

Sebelum masuk ke sesi 2, m = 0.90626 kg, H = 3151.2 kJ/kg

( )kgkJHHHHH s 8.2987223 =+=+=

Neraca energi pemanaas air umpan: 0)( = cvHm&

0)4.5773.771)(1()8.2987()5.999)(09375.0()9.789)(09374.0( =++ mmkgm 07971.0=

kgkJHWs 08.14890626.0)2(sec ==

Sesi H keluar sesi Ws sesi T kelauar sesi Keadaan m steam diambil

1 3151.2 -240.40 363.65 Superheated vapour

0.09374

2 2987.8 -148.08 272.48 Superheated vapour

0.07928

3 2827.4 -132.65 183.84 Superheated vapour

0.06993

4 2651.3 -133.32 96.00 Wet vapour, x = 0.9919

0.06257

5 2435.9 -149.59 45.83 Wet vapour, x = 0.9378

kJWs 0.804= kJm 3055.0=Kerja net dari siklus pada basis 1 kag steam dihasilkan di boiler:

kJpumpworknetWs 4.7926.110.804)(0.804)( =+=+=

kJHboilerQ 6.24180.9736.3391)( ===

3276.06.2418

4.792|||)(|

==

boiler

s

QnetW

Daya 80000kW)()( netWmnetW ss && =

s

kgm 96.100

4.79280000

=

=&

s

kJboilerQmboilerQ 244200)()( == &&

s

kJnetWboilerQcondenserQ s 164200)()()( == &&&

Efisiensi meningkat signifikan

Kecepatan transfer panas di boiler dan kondenser cukup kecil.

Mesin Pembakaran Internal Mesin Uap:

steam merupakan medium inert di mana panas ditrnasfer dari pembakaran bahan bakar atau dari reaktor nuklir.

Steam menyerap panas pada temperatur tinggi dalam boiler. Steam membuang panas pada temperatur yang relatif rendah di

kondenser.

Mesin Pembakaran Internal: Tidak ada medium kerja

Bahan bakar dibakar di dalam mesin dan produk pembakaran merupakan medium kerja.

Temperatur internal tinggi dan tidak melibatkan permukaan transfer panas.

Udara menjadi fluida kerja

Masin OttoMesin pembakaran internal yang paling umum, digunakan pada kendaraan bermotor.

Langkah 1: 0 1: Pada temperatur konstan, piston bergerak ke arah luar memmasukkan campuran udara/bahan bakar ke dalam silinder. Langkah 2: 1 2 3: Semua katup tertutup, campuran bahan bakar/udara ditekan, adiabatis sepanjang 1 2; campuran kemudian dinyalakan, dan terjadi pembakaran sangat cepat sehingga volume hampir tetap di mana tekanan naik sepanjang 2 3.Langkah 3: 3 4 1: Kerja dihasilkan. Ekspansi adiabatis 3 4; pompa pengeluaran terbuka dan tekanan turun secara cepat pada volume hampir konstan sepanjang 4 1.Langkah 4: 1 0: Piston mendorong sisa gas pembakaran dari silinder.

Rasio kompresi:D

C

VV

akhirvolumemulamulavolume

r =

Efisiensi mesin (kerja yang dihasilkan tiap unit bahan bakar)

Siklus Otto standar: dua langkah adiabatis dan dua langkah volume konstan, siklus mesin kalor di mana udara merupakan fluida kerja.

Mesin Otto

DA

CB

DAV

BCVDAV

DA

BCDA

DA

TTTT

TTCTTCTTC

QQQ

QnetW

=

+=

+=

1

)()()(

|||)(|

Efisiensi Termal

Gas ideal

=

=

DA

CB

DA

CB

D

C

PPPP

rPPPP

VV 11

AD VV = CBDA VPVP =

BC VV =

DDCC VPVP =

D

C

DA

CB

PP

rPPPP

r =

= 11/1/1

=

=

rVV

PP

C

D

D

C 1

11111

=

=

rr

r

Mesin Diesel Perbedaan dari mesin Otto: temperatur akhir

kompresi cukup timggi sehingga pembakaran terjadi secara spontan. Rasio kompresi lebih tinggi langkah kompresi

menuju tekanan lebih tinggi temperatur lebih tinggi Bahna bakar diinjeksikan pada akhir proses kompresi Bahan bakar ditambahkan proses pembakaran terjadi

pada tekanan mendekati konstan. Pada rasio kompresi yang sama: Tetapi, mesin Diesel beroperasi pada rasio

kompresi yang lebih tinggi dengan akibat efisiensinya lebih tinggi.

dieselOtto >

Jumlah panas diserap pada langkah DA: )( DAPDA TTCQ =Panas dibuang pada langkah BC: )( BCVBC TTCQ =

Efisiensi termal:

=

=

=

+=+=

rr

rr

rr

rrrr

TTTT

TTCTTC

QQ

e

e

e

ee

DA

BC

DAP

BCV

DA

BC

/1/1)/1()/1(11

/1)/1)(/()/1(11

11)()(11

11

Ekspansi adiabatis reversibel (langkah AB): 11 = BBAA VTVTKompresi adiabatis reversibel (langkah CD): 11 = CCDD VTVT

Basis 1 mol udara (gas ideal),

Rasio Kompresi: DC CVr / Rasio Ekspansi: ABe CVr /

Mesin Turbin Gas Mesin Otto dan Diesel menggunakan energi tinggi dari gas

pada temperatur dan tekanan tingi yang bekerja pada piston dalam silinder. Tetapi turbin lebih efisien daripada mesin yang bekerja bolak-balik.

Kombinasi mesin pembakaran internal dengan turbin. Udara ditekan melalui jeruji dan memasuki ruang

pembakaran. Semakin tinggi temperatur gas pembakar masuk, semakin

tinggi efisiensi unit. Kompresor sentrifugal beroperasi pada poros yang sama

dengan turbin, dan sebagian kerja turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor.

Siklus Brayton: AB kompresi adiabatis reversibel. BC panas QBC ditambahkan. CD ekspansi isentropis. DA pendinginan tekanan konstan.

Basis 1 mol udara, efisiensi termal:BC

ABCD

BC QWW

QnetW

=||

|||)(|

Kerja dihasilkan karena udara melalui kompresor:)( ABPABAB TTCHHW ==

The heat addition:)( BCPBC TTCQ =

Ekspansi isentropis dalam turbin:)(|| DCPCD TTCW =

BC

AD

TTTT

= 1

Ekspansi isentropis:

)1(

=

A

B

A

B

PP

TT

)1()1(

=

=

B

A

C

D

C

D

PP

PP

TT

)1(

1

=

B

A

PP

Mesin Turbin gas dengan rasio kompresi PB/PA = 6 beroperasi dengan udara masuk kompresor pada 25C. Jika temperatur maksimum ynag diijinkan pada turbin 760C, tentukan: (1) efisiensi siklus ideal pada kondisi tersebut jika = 1.4. (2) efisiensi termal siklus udara dari kondisi yang diberikan jika kompresor dan turbin beroperasi adiabatis ireversibel dengan efisiensi c = 0.83 dan t = 0.86.

(1) 4.06111

4.1/)14/1()1(

=

=

=

B

A

PP

)(/)()(

||)(|)(|

BCP

cABPDCPt

BC TTCTTCTTC

QcompWturbW

=

(2) Temperatur setelah kompresi ireversibel dalam kompresor TB lebih tinggi dari temperatur setelah kompresi isentropis TB dan tempertaur setelah ekspansi ireversibel dalam turbin TD lebih tinggi dari temperatur setelah ekspansi isentropis TD.

)()( ABP TTCcompW =

/)1(

)1()1/()1()/11)(/(

=

=

A

B

ACc

ACct

PP

withTT

TT

/)1(

=

=

B

A

A

C

CA

DC

A

D

PP

TT

TTTT

TT

235.0=

Mesin Jet, Mesin Roket Tenaga merupakan energi kinetik dari gas buangan

meninggalkan nozzle. Mesin Jet: alat kompresi + ruang pembakaran + nozzle Mesin Roket: perbedaan dari mesin jet adalah bahwa agen

pengoksidasi dibawa bersama mesin.