SIKLUS DAYA GAS

• Siklus Daya Uap• Siklus Daya Gas

PENDAHULUAN• Dua area penting dalam aplikasi Termodinamika adalah:

– Pembangkitan daya– Refrigerasi

• Keduanya biasanya diikuti dengan sistem yang beroperasi pada siklus termodinamika, yaitu:– Siklus daya– Siklus refrigerasi

• Alat yang digunakan untuk menghasilkan output daya sering disebut dengan istilah mesin (engine) dan siklusnya adalah siklus daya

• Siklus termodinamika juga bisa dikategorikan ke dalam siklus gas dan siklus uap, tergantung pada fase dari fluida kerjanya. Pada siklus gas, fluida kerja tetap dalam fase gas selama seluruh siklus, sedangkan pada siklus uap, fluida kerjanya ada pada fase uap di satu bagian dan pada fase cair di bagian yang lain.

• Siklus termodinamika juga bisa dikategorikan ke dalam siklus tertutup dan siklus terbuka.

• Dalam siklus tertutup, fluida kerja dikembalikan ke keadaan awal di akhir siklus dan disirkulasikan.

• Dalam siklus terbuka, fluida kerja tidak disirkulasikan (misalnya pada mesin kendaraan). Mesin itu beroperasi menurut siklus mekanis, tetapi fluida kerjanya tidak menjalani siklus yang lengkap.

• Mesin kalor, berdasarkan cara kalor diberikan pada fluida kerja:– Pembakaran dalam– Pembakaran luar

Pertimbangan Dasar Dalam Analisis Siklus Daya

•

Pertimbangan Dasar Dalam Analisis Siklus Daya (lanj.)

• Idealisasi dan penyederhanaan dalam analisis siklus daya:– Dalam siklus gesekan diabaikan. Sehingga fluida

kerja tidak mengalami penurunan tekanan.– Semua proses ekspansi dan kompresi berlangsung

secara quasi-equilibrium.– Tidak ada perpindahan kalor melalui pipa yang

menghubungkan berbagai komponen.– Tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial

pada fluida kerja.

Siklus Carnot

•

Diagram T-s untuk Siklus Carnot

8

Diagram T-s untuk Siklus Carnot

9

Contoh soal• Tunjukkan bahwa efisiensi termal siklus Carnot yang bekerja antara batas

temperatur atas TH dan temperatur bawah TL hanya merupakan fungsi dari kedua temperatur itu.

• Kalor dipindahkan ke sistim selama proses 1-2 dan dibuang dari sistim selama proses 3-4, sehingga jumlah kalor masuk dan keluar untuk siklus di atas adalah:

• Karena proses 2-3 dan 4-1 isentropis, maka

10

)(;)( 1212 ssTqssTq LoutHin

H

L

H

L

in

out

in

netth T

T

ssT

ssT

q

q

q

w

1)(

)(11

12

12

Asumsi Udara-standar• Karena kompleksnya siklus daya gas aktual, maka perlu ada pendekatan

berupa asumsi udara-standar:1. Fluida kerjanya dianggap sepenuhnya udara, yang bersirkulasi dalam siklus

tertutup dan dianggap sebagai gas ideal.2. Semua proses yang membentuk siklus dianggap reversibel secara internal.3. Proses pembakaran dianggap sebagai proses penambahan kalor dari

sumber luar.4. Proses pembuangan dianggap sebagai proses pelepasan kalor yang

mengembalikan fluida kerja ke keadaan awal.• Asumsi lain:

1. Udara mempunyai kalor spesifik konstan yang nilainya ditentukan pada temperatur ruang (25oC, atau 77oF). Jika asumsi ini digunakan disebut asumsi udara-standar-dingin.

• Siklus yang yang menerapkan asumsi udara-standar ini disebut sebagai siklus udara-standar.

Tinjauan Terhadap Mesin Bolak-Balik

• Beberapa istilah yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai mesin bolak-balik (menggunakan piston dan silinder) antara lain:1. Titik mati atas dan titik mati bawah2. Langkah dan volume langkah3. Diameter piston yang disebut dangan bor.4. Katup hisap dan katup buang5. Volume sisa (clearance volume)6. Rasio kompresi, r.7. Tekanan efektif rata-rata (mean effective pressure), MEP.

Siklus Otto• Siklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian

percikan bunga api• Hal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai

siklus Otto:1. Proses-proses yang membentuk siklus Otto2. Mesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai

alat yang menerapkan siklus Otto.3. Diagram P-ν aktual/nyata untuk mesin empat-langkah4. Efisiensi termal siklus Otto.5. Pembakaran-sendiri (auto-ignition) dan ketukan mesin

(engine knock), penyebab terjadinya dan cara mengatasinya

14

15

16

17

18

• Hubungan hukum I untuk setiap proses:

• Efisiensi termalnya menjadi:

1414

2323

TTCuuq

TTCuuq

uwwqq

vout

vin

outinoutin

1

111

232

141

23

14,

TTT

TTT

TT

TT

q

w

in

netOttoth

• Proses 1-2 dan 3-4 isentropis, dan v2=v3; v4=v1, maka

• Maka efisiensi termalnya menjadi:

3

4

1

4

3

1

1

2

2

1

T

T

v

v

v

v

T

Tkk

2

1

2

1

min

max

1,

11

v

v

V

V

V

Vr

r kOttoth

• Autoignition: terjadi pembakaran sebelum busi memercikkan api menghasilkan engine knock.

• Rasio kompresi bisa ditingkatkan sampai 12 dengan menggunakan bahan bakar yang dicampur dengan timah tetraethil. Bahan berfungsi untuk meningkatkan angka oktan.

• Angka oktan adalah ukuran ketahanan terhadap terjadinya engine knock.

• Dalam prakteknya efisiensi termal untuk siklus Otto berkisar antara 25% sampai 30%.

Contoh Soal

• Siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi 8. di awal proses kompresi, udara ada pada 100 kPa dan 17 oC, dan selama proses penambahan kalor pada volume konstan kalor yang ditransfer sebesar 800 kJ/kg,tentukan– temperatur dan tekanan maksimum yang terjadi

selama siklus– kerja output netto– efisiensi termal– tekanan efektif rata2

Jawaban

a) Temperatur dan tekanan tertinggi terjadi di keadaan 3– Dari tabel A-17 (Cengel) diperoleh:• Pada T1 = 290 K: u1 = 206,91 kJ/kg, vr1 = 676,1

– Untuk proses kompresi 1-2:

kgkJuKT

vrv

v

v

vr

r

r

/11,475;4,652

51,848

1,6761

22

21

2

1

2

Jawaban

– Untuk proses 2-3 (penambahan kalor pada volume konstan):

• Dari tabel A-17 diketahui, untuk u = 1275,11 kJ/kg maka T = 1575,1 K dan vr3 = 6,108.

kgkJuquuuq inin /11,12752323

MPav

v

T

TPP

T

vP

T

vP347,4

3

2

2

323

2

22

3

33

Jawaban

b) Proses 3-4 (ekspansi isentropis gas ideal):

c) Efisiensi termal:

kgkJuKT

vrv

v

v

vr

r

r

/74,588;6,795

864,48)108,6)(8(

44

43

4

3

4

kgkJw

kgkJquuq

net

outout

/17,418

/83,38141

%5,561

1

%3,52800

17,418

1,

kOttoth

in

netth

r

q

w

d. Tekanan efektif rata2 (MEP)

kPavv

w

v

wMEP netnet 4,574

104,0832,0

17,418

21

kgm

kPa

KKkgmkPa

P

RTv

/832,0

100

290../.287,0

3

3

1

11

Siklus Diesel• Siklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian

kompresi• Hal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai

siklus Diesel:1. Proses-proses yang membentuk siklus Diesel2. Mesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai

alat yang menerapkan siklus Diesel.3. Diagram P-ν aktual/nyata untuk mesin empat-langkah4. Efisiensi termal siklus Diesel.5. Kombinasi siklus Otto dan Diesel yang dikenal dengan

siklus Dual

Siklus Diesel

• Siklus diesel adalah siklus ideal untuk mesin pengapian-kompresi (CI engine)

• Mesin ini berbeda dengan mesin pengapian-busi (SI engine) dari cara memulai pembakaran.

• Pada mesin SI campuran udara-bahan bakar dikompresi sampai temperatur di bawah temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar itu, dan proses pembakaran dimulai oleh pengapian oleh busi.

• Pada mesin CI dikompresi sampai temperaturnya berada di atas temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar, pembakaran dimulai ketika bahan bakar diinjeksi ke dalamnya.

30

Siklus Diesel

• Karena udara yang dikompresi sampai di atas temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar, maka rasio kompresinya lebih tinggi dari pada mesin SI, antara 12 dan 24.

• Proses injeksi bahan bakar dimulai ketika piston mendekati titik mati atas dan berlanjut hingga awal langkah kerja.

• Proses pembakaran dalam mesin ini berlangsung lebih lama dari pada mesin SI, sehingga proses pembakaran yang ideal didekati dengan proses penambahan kalor pada tekanan konstan.

31

Mesin CI 4-langkah1. Langkah Hisap

Piston bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB), katup hisap terbuka dan katup buang tertutup, sehingga udara terhisap ke dalam ruang bakar.

2. Langkah KompresiPiston bergerak dari TMB ke TMA, katup hisap dan katup buang tertutup, udara dikompresi sampai temperatur di atas temperatur pembakaran-sendiri

3. Langkah Kerja (Pembakaran)Ketika piston mendekati TMA bahan bakar diinjeksi ke ruang bakar dan pembakaran terjadi secara spontan. Kedua katup tertutup, piston bergerak dari TMA ke TMB.

4. Langkah BuangKatup buang terbuka dan katup hisap tertutup, piston bergerak dari TMB ke TMA.

32

Mesin CI 4-langkah

33

Siklus Diesel

• Perbedaannya dari siklus Otto adalah pada proses penambahan kalor, pada siklus Otto penambahan kalor terjadi pada volume konstan, pada siklus Diesel terjadi pada tekanan konstan

• Siklus Diesel terdiri dari 4 proses, yaitu:– Kompresi isentropis– Penambahan kalor pada tekanan konstan– Ekspansi isentropis– Pembuangan kalor pada volume konstan

34

Diagram p-v untuk Siklus Diesel

35

Kompresi Isentropis

36

Penambahan Kalor Pada Tekanan Konstan

37

Ekspansi Isentropis

38

Pembuangan Kalor Pada Volume Konstan

39

Diesel Two Stroke Engine

1441

2323

23232

23,

dan,

TTCquuq

TTChh

uuvvPq

uuwq

voutout

p

in

outbin

1

111

maka , ratio, cutoff Jika

1

111

1

1Dieselth,

2

3

232

141

23

14

,

c

kc

k

c

in

out

in

netDieselth

rk

r

r

v

vr

TTkT

TTT

TTk

TT

q

q

q

w

Contoh Soal

• Siklus Diesel ideal dengan udara sebagai fluida kerja memiliki rasio kompresi 18 dan rasio cutoff 2. Di awal proses kompresi udara pada keadaan 14,7 psi

Kisi-kisi Ujian Tengah Semester

• Penjelasan lengkap cara kerja Motor bensin 2-langkah.

• Penjelasan lengkap cara kerja Motor diesel• Analisis Efisiensi motor diesel.• Menghitung daya, efisiensi, tekanan dan

temperatur maksimum siklus Otto.