tim dosen program studi teknik mesin...

71
2 BUKU DIKTAT MESIN KONVERSI dan KONSERVASI ENERGI Disusun Oleh: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS WIJAYA PUTRA 2010

Upload: vucong

Post on 30-Jan-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

2

BUKU DIKTAT

MESIN KONVERSI dan KONSERVASI ENERGI

Disusun Oleh:

TIM DOSEN

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS WIJAYA PUTRA 2010

Page 2: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

3

KATA PENGANTAR

Buku Ajar Mesin Konversi Energi ini memaparkan teori dasar konversi energi dan

ditambah dengan penjelasan kontruksi-kontruksi mesin pada setiap bab. Pada bab-bab awal

dipaparkan ilmu-ilmu dasar meliputi mekanika fluida, termodinamika, perpindahan panas,

dan sumber-sumber energi yang mendasari teori mesin konversi energi.

Fokus pembahasan didalam buku ajar MKE ini adalah mesin mesin yang mengkonversi

sumber-sumber energi yang tersedia di alam untuk menghasilkan energi yang dapat

dimanfaatkan. Dengan demikian, mesin-mesin seperti penukar kalor, pompa, dan

kompresor, tidak dibahas detail dalam mata kuliah ini. Mesin-mesin tersebut dianggap

sebagai alat bantu untuk pengoperasian mesin-mesin konversi dan dibahas pada

perkuliahan awal. Mesin–mesin panas, seperti motor bakar, turbin gas, dan turbin uap

dibahas lebih awal, kemudian turbin air da mesin refrigerasi

Page 3: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

4

BAB 1 DASAR PROSES KONVERSI ENERGI

Pengetahuan dasar tentang termodinamika, perpindahan panas dan mekanika

fluida sangat membantu para calon calon operator dan staf pemeliharan mesin mesin

industri. Konsep konsep dasar akan dipakai dalam pemahaman prinsip-prinsip dasar

kerja mesin mesin industri.

. Pembahasan tidak dipresentasikan secara menyeluruh, tetapi ditekankan pada hal-

hal khusus saja yang berkenaan dengan konsep dasar. Untuk pembahasan yang

menyeluruh pembaca bisa merujuk pada buku teks yang ada pada daftar pustaka.

1.1 Termodinamika

Ilmu termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan panas dengan kerja.

Dua besaran tersebut adalah sangat penting untuk dipahami karakeristiknya untuk

pemahaman dasar keteknikan. Jadi jelas pengetahuan dasar termodinamika sangat

penting, karena dipakai untuk menganalisa kondisi operasi berbagai alat atau mesin yang

berhubungan dengan panas dan kerja.

A. Sistem termodinamika

Untuk menganalisa mesin-mesin panas atau mesin-mesin fluida, mesin-mesin tersebut disebut dengan benda kerja. Fluida atau zat alir yang dipakai pada benda kerja

disebut dengan fluida kerja. Sebagai contoh untuk pompa sebagai benda kerja, fluida

kerjanya adalah zat cair (air, oli ), sedangkan kompresor fluida kerjanya adalah udara.

Untuk membedakan benda kerja dengan lingkungan sekitarnya, benda kerja sering

disebut dengan sistem, yaitu setiap bagian tertentu, yang volume dan batasnya tidak

perlu tetap, dimana perpindahan dan konversi energi atau massa akan dianalisa. Adapun

istilah istilah yang sering disebut adalah sebagai berikut.

Batas sistem adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan lingkungannya

Sistem tertutup yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran energi

atau massa, dengan kata lain energi atau massa tidak melewati batas-batas sistem.

Sistem terbuka yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau melawati batas-

batas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi

B. Besaran-besaran sistem termodinamika dan keadaan sistem

Dalam pembahasan setiap masalah yang berhubungan dengan kejadian-kejadian

alam atau suatu proses fisika alam, untuk memudahkan pemahaman masalah tersebut,

pemodelan matematis banyak digunakan. Pemodelan matematik adalah suatu metode

untuk mecari hubungan antara faktor-aktor fisik yang satu dengan yang lainnya

menggunakan simbol-simbol dan koordinat matematik. Dengan pemodelan tersebut, akan

ketemu suatu rumusan matematik yang bisa mewakili permasalahan fisik secara

kwantitatif

Dalam ilmu termodinamika koordinat-koordinat atau besaran fisik akan selalu

melingkupi semua rumusan termodinamika adalah Voume V, Temperatur T, Tekanan p,

Kerapatan ρ dan besaran-besaran lainnya. Besaran- besaran ini akan

mempengaruhi

berbagai keadaan sistem termodinamika. Misalkan, sistem motor bakar akan berubah

keadaannya apabila tekanan p kompresinya turun, yaitu tenaga yang dihasilkan

berkurang. Perubahan keadaan temodinamika digambarkan pada grafik hubungan

tekanan dengan volume atau dengan tekanan. Contoh perubahan keadaan

Page 4: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

5

termodinamika yaitu perubahan keadaan pada temperatur tetap ( isotermis),

penggambarannya pada grafik p-v dan p-t adalah sebagai berikut

p p

keadaan 2 p2, V2

isotermis T1 =T2

`

isotermis T1 =T2

keadaan 2 p2, T2

keadaan 1 p1, V1

vc

V

keadaan 1 p1, T1

T

Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik

Dari gambar diatas terlihat bahwa terjadi perubahan besaran pada keadaan satu ke

keadaan dua. Perubahan tersebut akan tetap berlangsung sebelum ada porses keadaan

yang lainnya. Proses keadaan selalu mempunyai satu ada lebih karakteristik yang

spesifik. Sebagai contoh untuk proses keadaan isotermis, karakteristik yang pasti khusus

adalah tidak ada perubahan temperatur selama proses.

Dalam termodinamika, besaran sistem dibagi menjadi dua yaitu besaran eextensive,

dan besaran intensive. Adapaun definisi masing-masing besaran adalah sebgai beikut.

[1] Besaran ekstensif, adalah besaran yang dipengarui oleh massa atau mol

sisitem. Contoh volume, kapasitas panas, kerja, entropi. Dari besaran-besaran

ekstensive diperoleh harga-harga jenis ( spesifik value). Harga jenis adalah

perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem atau zat.

Harga jenis = besaran ekstensif

massa sistem

Contoh

Volume jenis = volume

, massa

Kapasitas jenis = Kapasitas

massa

[2] Besaran intensif, adalah besaran yang tidak dipengarui oleh massa sistem.

Contoh tekanan, temperatur, dan lainnya

C. Besaran-besaran pokok termodinamika

Besaran temperatur dan tekanan adalah besaran yang menjadi pokok dari sistem

termodinamika, karena hubungan antar keduanya sangat penting untuk mecirikan proses

keadaan sistem. Disamping itu besaran temperatur dan tekanan adalah besaran dari hasil

pengukuran secara langsung dari suatu proses keadaan sistem. Hal ini berbeda dengan

besaran lainnya yang tidak berdasarkan pengukuran, tetapi diturunkan dari besaran

temperatur dan tekanan. Sebagai contoh, kerja adalah besaran turunan dari tekanan atau

temperatur.

1. Kerja pada volume konstan W= m.R.∆ T

2. Kerja pada tekanan kostan W= p∆ V

Page 5: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

6

D. Bentuk-bentuk energi

Energi adalah suatu besaran turunan dengan satuan N.m atau Joule. Energi dan

kerja mempunyai satuan yang sama. Sedangkan kerja bisa didefinisikan sebagai usaha

untuk memindahkan benda sejauh S (m) dengan gaya F (Newton). Sedang bentuk-bentuk

energi lain dijelaskan dibawah ini :

Energi Kinetik ; energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, sebagai

contoh , mobil yang bergerak, benda jatuh dan lain-lain , maka energinya dapat ditulis

EK = 1

mV 2

2

Energi potensial, adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya.

Sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang yang dimiliki air karena

ketinggihannya dari permukaan

Ep = m.g.h

Sedang untuk energi potesial pegas adalah energi yang dimiliki oleh benda yang

dihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan tertentu karena penarikan

pegas.

Ep = 0,5.k.x2

Energi mekanik ; adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik dengan

energi potesial.

Em = Ek + Ep

Adapun energi atau kerja mekanik pada mesin mesin panas, adalah kerja yang dihasilkan

dari proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Kerja mekanik (dW)

tersebut sebanding dengan perubahan volume (dV) pada tekanan (p) tertentu.

∆ W = p∆ V

sebagai contoh energi ini secara sederhana adalah pergerakan piston, putaran poros

enkol, dan lain lain

silinder

∆ W = p∆ V

∆ V

p

piston

Gambar 1.2 Energi atau kerja pada piston

Dan energi mekanik pada benda-benda yang berputar misalnya poros mesin mesin

fluida ( turbin, pompa ,atau kompresor) adalah dinamakan Torsi yaitu energi yang

dbutuhkan atau dihasilkan benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F dimana energi

tersebut pada r tertentu dari pusat putaran.

T= Fx r

Page 6: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

7

energi mekanik putaran

poros

r

Torsi= F x r (N.m)

Gambar 1.3 Energi mekanik poros turbin gas

Energi Aliran ; atau kerja aliran adalah kerja yang dilakukan oleh fluida yang mengalir

untuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.

Wenergi aliran = pV Panas (Q) ; energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan temperatur.

Dengan c panas jenis pada tekanan konstan atau volume konstan, energi ini dirumuskan

Q = mc∆ T

Energi dalam (U); energi dari gas karena pergerakan pada tingkat molekul, pada gas

ideal hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.

Entalpi (H); sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan konstan

,dengan cp panas jenis pada tekanan konstan, dapat dirumuskan

∆ H = mc p ∆ T

Energi yang tersedia ; bagian dari panas yang ditambahkan ke sistem yang bisa diubah

menjadi kerja. Perbandingan antara jumlah energi tersedia yang bisa diubah menjadi

kerja dengan energi yang dimasukan sistem adalah konsep Efisiensi.

E. Sifat energi

Energi di alam adalah kekal artinya energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan

tetapi hanya bisa diubah dari energi satu ke energi lainnya (Hukum kekekalan energi).

Ilmu yang mempelajari perubahan energi dari energi satu kelainnya adalah disebut

dengan ilmu konversi energi. Tingkat keberhasilan perubahan energi adalah disebut

dengan efisiensi. Adapun sifat-sifat energi secara umum adalah :

1. Transformasi energi, artinya energi bisa diubah menjadi bentuk lain, misalkan energi

panas pembakaran menjadi energi mekanik mesin

proses pembakaran meghasilkan energi panas silinder

∆ W = p∆ V

p

piston

energi panas energi mekanik

proses perubahan energi

Gambar 1.4 Perubahan energi pada motor bakar

Page 7: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

8

Contoh yang lain adalah proses perubahan energi atau konversi energi pada turbin

dan pompa. Perubahan energi pada turbin adalah sebagai berikut, energi fluida (energi

kinetik fluida) masuk turbin dan berekspansi, terjadi perubahan energi yaitu dari energi

fluida menjadi energi mekanik putaran poros turbin. Kemudian, putaran poros turbin

memutar poros generator listrik, dan terjadi perubahan energi kedua yaitu dari energi

mekanik menjadi energi listrik.

Energi listrik

Energi fluida masuk

Energi mekanik putaran poros

generator

A

turbin air, uap, gas

poros

fluida keluar

energi fluida energi mekanik poros energi listrik

Energi listrik

Energi mekanik putaran poros

Energi fluida tekanan tinggi

B

motor listrik

poros

fluida masuk

pompa atau kompresor

energi listrik energi mekanik poros energi fluida

Gambar 1.5 Konversi energi pada pompa atau kompresor

Pada gambar 1.5B terlihat proses konversi energi dari energi listrik menjadi energi

fluida. Prosesnya yaitu energi listrik akan diubah menjadi energi mekanik pada motor

listrik, energi mekanik tersebut adalah putaran poros motor listrik yang akan diteruskan ke

poros pompa. Pada pompa terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi fluida, fluida

yang keluar dari pompa mempunyai energi yang lebih tinggi dibanding sebelum masuk

pompa

Page 8: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

9

fluida masuk

fluida keluar

putaran poros dan impeler pompa

Gambar 1.6 Pompa sebagai mesin Konversi energi

2. Transfer energi, yaitu energi panas (heat) dapat ditransfer dari tempat satu ke tempat

lainnya atau dari material satu ke material lainnya

air panas dan uap panas

transfer panas

tungku pembakaran energi panas

Gambar. 1.7 Tranfer energi panas dari tungku ke air di panci

3. Energi dapat pindah ke benda lain melalui sutu gaya yang menyebabkan pergeseran,

sering disebut dengan energi mekanik, seperti yang telah dibahas di bab sebelumnya. W

= FxS

gaya F ( N) gaya F

pergeseran S (m)

Gambar 1.8 Energi mekanik pergeseran translasi ( linier)

Page 9: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

10

rev

gaya F

pergeseran

S = 2 π r.nrev

`

R

gaya F

W = (2 π .nrev.)xT

nrev = jumlah putaran

Torsi ( T ) = F x R

T = F x R

Gambar 1.9 Energi mekanik pergeseran rotasi ( angular)

T W = FxS dengan S =2 π r.nrev dan F = , maka

r

W = T

2 π r.n = (2 π .nrev

.)xT ( KERJA MEKANIK POROS) r

dimana nrev = adalah jumlah putaran

kerja poros

kerja poros

pompa propeler pompa sentrifugal

kerja poros

Turbin air

mobil

kerja poros

Ganbar 1.10 Mesin-mesin konversi energi dengan kerja poros

Page 10: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

11

V V

Energi mekanik PUTARAN POROS adalah yang paling sering digunakan untuk

perhitungan mesin mesin konversi energi, karena hampir sebagian besar mesin mesin

konversi adalah mesin-mesin rotari. Alasan pemilihan gerak putaran poros mesin (mesin

rotari) sebagai transfer energi atau kerja dibanding dengan putaran bolak-balik (

reciprocating) adalah karena gerak rotari mempunyai efisiensi mekanik yang tinggi,

getaran rendah, dan tidak banyak memerlukan komponen mesin yang rumit. Energi atau

kerja langsung bisa ditransfer atau diterima perlatan tanpa perlatan tambahan. Sebagai

perbandingan mesin rotari adalah mesin reciprocating yaitu motor bakar. Pada gambar

adalah skema mesin motor bakar dengan gerakan bolak baliknya.

4. Energi adalah kekal, tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan.

F. Hukum termodinamika

F.1 Hukum termodinamika I

Hukum pertam termodinamika adalah hukum konversi energi, hukum ini

menyatakan bahwa ENERGI TIDAK DAPAT DICIPTAKAN ATAU DILENYAPKAN, energi

hanya dapat diubah dari bentuk satu kebentuk lainnya

∆ Q

Emasuk

EP1

EK1

ED1

EA1

EP2

EK2

ED2

EA2

Ekeluar

∆ W

Gambar 1.11 Dinamika perubahan energi pada suatu benda kerja

Hukum pertama Termodinamika dapat ditulis sebagai berikut ;

EP1 + EK1 + ED1 + EA1 + ∆ Q = EP2 + EK2 + ED2 + EA2 + ∆ W

Untuk sistem terbuka dimana ada pertukaran energi dan massa dari sitem kelingkungan

atau sebaliknya, maka persamaan energi diatas dapat dijabarkan sebagai berikut

mgZ

V 2

+ m 1 + [U + p V ]+ ∆ Q = mgZ

V 2

+ m 2 + [U

+ p V ]+ ∆ W

1

2 1 1 1

2

2 2 2 2

dengan [ pV + U] = H dapat dituliskan kembali menjadi

mgZ1

+ m

2

1

2

+ H1

+ ∆ Q = mgZ2

+ m

V 2

2

2

2

+ H 2

+ ∆ W

Emasuk

= mgZ1

+ m 1

2 + H

1 + ∆ Q

Ekelua

= mgZ

V 2

+ m 2

2 2

+ H 2

+ ∆ W

Page 11: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

12

Jadi Hukum termo pertama dapat diutuliskan secara sederhana dengan persamaan

berikut (untuk sistem terbuka)

Emasuk

= Ekeluar

atau ∆ EP + ∆ EK + ∆ H + ∆ Q = ∆ W

Emasuk

Ekeluar

Gambar 1.12 Proses perubahan energi pada sistem terbuka

Jika Hukum termodinamika pertama dituliskan secara sederhana untuk sistem

tertutup, dimana massa tidak dapat melintas batas sistem, maka suku suku EP, EK dan

EA dapat dihilangkan dari persamaan. Persamaan dapat ditulis kembali mejadi

∆ EP + ∆ EK + ∆ pV + ∆ Q = ∆ W +

∆ U

∆ Q = ∆ W + ∆ U

Jadi untuk sistem tertutup persamaannya menjadi ∆ Q = ∆ W + ∆ U

∆ W

∆ U ∆ Q

Gambar 1.13 Proses perubahan energi pada sistem tertutup

Page 12: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

13

BAB 2 DASAR MOTOR BAKAR

Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin penggerak yang banyak dipakai

Dengan memanfaatkan energi kalor dari proses pembakaran menjadi energi mekanik.

Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang proses pembakarannya terjadi

dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus sebagai

fluida kerjanya. Mesin yang bekerja dengan cara seperti tersebut disebut mesin

pembakaran dalam. Adapun mesin kalor yang cara memperoleh energi dengan proses

pembakaran di luar disebut mesin pembakaran luar. Sebagai contoh mesin uap, dimana

energi kalor diperoleh dari pembakaran luar, kemudian dipindahkan ke fluida kerja melalui

dinding pemisah.

Keuntungan dari mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin

pembakaran luar adalah kontruksinya lebih sederhana, tidak memerlukan fluida kerja

yang banyak dan efesiensi totalnya lebih tinggi. Sedangkan mesin pembakaran luar

keuntungannya adalah bahan bakar yang digunakan lebih beragam, mulai dari bahan

bakar padat sampai bahan-bakar gas, sehingga mesin pembakaran luar banyak dipakai

untuk keluaran daya yang besar dengan banan bakar murah. Pembangkit tenaga listrik

banyak menggunakan mesin uap. Untuk kendaran transpot mesin uap tidak banyak

dipakai dengan pertimbangan kontruksinya yang besar dan memerlukan fluida kerja yang

banyak

2.2. Siklus 4 Langkah dan 2 Langkah

A. Siklus 4 langkah

Motor bakar bekerja melalui mekanisme langkah yang terjadi berulang-ulang atau

periodik sehingga menghasilkan putaran pada poros engkol. Sebelum terjadi proses

pembakaran di dalam silinder, campuran udara dan bahan-bakar harus dihisap dulu

dengan langkah hisap [1]. Pada langkah ini, piston bergerak dari TMA menuju TMB, katup

isap terbuka sedangkan katup buang masih tertutup.

Setelah campuran bahan-bakar udara masuk silinder kemudian dikompresi dengan

langkah kompresi [2], yaitu piston bergerak dari TMB menuju TMA, kedua katup isap dan

buang tertutup. Karena dikompresi volume campuran menjadi kecil dengan tekanan dan

temperatur naik, dalam kondisi tersebut campuran bahan-bakar udara sangat mudah

terbakar. Sebelum piston sampai TMA campuran dinyalakan terjadilah proses

pembakaran menjadikan tekanan dan temperatur naik, sementara piston masih naik terus

sampai TMA sehingga tekanan dan temperatur semakin tinggi. Setelah sampai TMA

kemudian torak didorong menuju TMB dengan tekanan yang tinggi, katup isap dan buang

masih tertutup.

Selama piston bergerak menuju dari TMA ke TMB yang merupakan langkah kerja

[3] atau langkah ekspansi. volume gas pembakaran bertambah besar dan tekanan

menjadi turun. Sebelum piston mencapai TMB katup buang dibuka, katup masuk masih

tertutup. Kemudian piston bergerak lagi menuju ke TMA mendesak gas pembakaran

keluar melalui katup buang.

Proses pengeluaran gas pembakaran disebut dengan langkah buang [4]. Setelah

langkah buang selesai siklus dimulai lagi dari langkah isap dan seterusnya. Piston

bergerak dari TMA-TMB-TMA-TMB-TMA membentuk satu siklus. Ada satu langkah

tenaga dengan dua putaran poros engkol. Motor bakar yang bekerja dengan siklus lenkap

tersebut diklasifikasikan masuk golongan motor 4 langkah.

Page 13: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

14

A

TMA

TMB

b. bakar+ udara

1

isap

campuran bb+udara

2

kompresi

penyalaan

3 tenaga

gas buang

4

buang

TMA

TMB

MESIN OTTO

A udara

udara

injeksi fuel + pembakaran

gas buang

isap kompresi tenaga buang

MESIN DISEL Gambar 2.7 Proses kerja mesin 4 langkah Otto dan Disel

B. Siklus 2 langkah

Langkah pertama setelah terjadi pembakaran piston bergerak dari TMA menuju

TMB melakukan ekspansi, lubang buang mulai terbuka. Karena tekanan didalam silinder

lebih besar dari lingkungan, gas pembakaran keluar melalui lubang buang. Piston terus

begerak menuju TMB lubang buang semakin terbuka dan saluran bilas mulai terbuka.

Bersamaan dengan kondisi tersebut tekanan didalam karter mesin lebih besar daripada di

dalam silinder sehingga campuran bahan bakar udara menuju silinder melalui saluran

bilas sambil melakukan pembilasan gas pembakaran. Proses ini disebut pembilasan,

proses ini berhenti pada waktu piston mulai begerak dari TMB menuju TMA dengan

lubang buang dan saluran bilas tertutup.

Langkah kedua setelah proses pembilasan selesai, campuran bahan -bakar masuk

kedalam silinder kemudian dikompresi, posisi piston menuju TMA. Sesaat sebelum piston

sampai di TMA campran bahan-bakar dan udara dinyalakan sehingga terjadi proses

pembakaran. Siklus kembali lagi ke proses awal seperti diuraikan diatas. Dari uraian diatas terlihat piston melakukan dua kali langkah yaitu dari :

[1] TMA menuju TMB ; proses yang terjadi ekspansi, pembilasan ( pembuangan dan

pengisian)

[2] TMB menuju TMA ; prose yang terjadi kompresi, penyalaan pembakaran

Keuntungan dan kekuranag siklus 4 langkah dan 2 langkah dapat dilihat dari tabel berikut

ini

Page 14: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

15

lubang buang

fuel dan udara

TMA

1 TMB

katup masuk

tenaga

buang

isap dan pembilasan

TMA

2

kompresi

TMB

fuel dan udara

penyalaan

Gambar 2.8 Proses kerja 2 langkah

saringan udara

karburator

Batang nok

Mekanik katup

Pengatur hidrolik

Sproket batang nok

Katup masuk

Katup buang

torak

Timing belt

Batang torak

Timing belt tensor

Crankshaft

Sproket poros engkol

Penampung oli

Pompa oli

Gambar 2.11 Komponen utama pembangkit energi mesin multi silinder

Page 15: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

16

BAB 3 SIKLUS MOTOR BAKAR

3.1. Siklus Termodinamika Motor Bakar

Analisa siklus termodinamika sangat penting untuk mempelajari motor bakar.

Proses kimia dan termodinamika yang terjadi pada motor bakar sangatlah rumit untuk

dianalisis. Jadi diperlukan suatu siklus yang diidealkan sehingga memudahkan untuk

menganalisa motor bakar. Siklus yang diidealkan tentunya harus mempunyai kesamaan

dengan siklus sebenarnya. Sebagai contoh kesamaannya adalah urutan proses, dan

perbandingan kompresi. Di dalam siklus aktual, fluida kerja adalah campuran bahan-

bakar udara dan produk pembakaran, akan tetapi di dalam siklus yang diidealkan

fluidanya adalah udara. Jadi siklus ideal bisa disebut dengan siklus udara.

A. Siklus udara ideal

Penggunaan siklus ini berdasarkan beberapa asumsi adalah sebagai berikut

1. Fluida kerja dianggap udara sebagai gas ideal dengan kalor sepesifik konstan (tidak

ada bahan bakar)

2. Langkah isap dan buang pada tekan konstan

3. Langkah kompresi dan tenaga pada keadaan adiabatis

4. Kalor diperoleh dari sumber kalor dan tidak ada proses pembakaran atau tidak ada

reaksi kimia

Siklus udara pada motor bakar yang akan dibahas adalah

1. Siklus udara pada volume konstan ( Siklus Otto)

2. Siklus udara pada tekanan kostan ( Siklus Disel)

3. Siklus udara tekanan terbatas.( Siklus gabungan )

A.1. Siklus udara volume konstan

Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan

sering disebut dengan siklus ledakan ( explostion cycle) karena secara teoritis proses

pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan tekanan yang tiba-tiba.

Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan loncatan bunga api. Nikolaus

August Otto menggunakan siklus ini untuk membuat mesin sehingga siklus ini sering

disebut dengan siklus otto

Gambar 3.1 adalah diagram p-v untuk siklus ideal otto. Adapun urutan prosesnya

adalah sebagai berikut

[1] Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.

[2] Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis

Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor

pada volume kostan.

[3] Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis

Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada

volume konsatan

[4] Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan, gas pembakaran

dibuang lewat katup buang

Page 16: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

17

TMA TMB

udara udara udara

udara

Isentropik

kompresi

p =konstan penambahan panas

Isentropik

ekspansi

p =konstan pembuangan panas

Gambar 3.1 Siklus udara volume konstan

Page 17: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

18

A.2. Siklus udara tekanan konstan

udara udara udara

udara

Isentropik

kompresi

p =konstan penambahan panas

Isentropik

ekspansi

p =konstan

pembuangan panas

Gambar 3.2 Siklus Udara Tekanan Konstan

Siklus ideal tekanan kostan ini adalah siklus untuk mesin diesel. Gambar 3.2 adalah

diagram p-v untuk siklus ideal Disel. Adapun urutan prosesnya adalah sebagai berikut

[1] Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.

[2] Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis

Proses pembakaran tekanan konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor

pada tekanan konstan.

[3] Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis

Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada

volume konsatan

[4] Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan

Dapat dilihat dari urutan proses diatas bahwa pada siklus tekanan kostan

pemasukan kalornya pada tekanan kostan berbeda dengan siklus volume konstan yang

proses pemasukan kalornya pada kondisi volume konstan. Siklus tekanan konstan sering

disebut dengan siklus diesel. Rudolf Diesel yang pertama kali merumuskan siklus ini dan

sekaligus pembuat pertama mesin diesel. Proses penyalaan pembakaran tejadi tidak

menggunakan busi, tetapi terjadi penyalaan sendiri karena temperatur didalam ruang

bakar tinggi karena kompresi.

Page 18: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

19

MESIN OTTO

Gambar 3.3 Mesin otto dan mesin disel

A.3. Siklus udara gabungan

udara

I

udara

injeksi fuel

gas buang

udara

Qin

TMA

Qin

Qout

pemasukan Q

volume konstan pemasukan Q tekanan konstan

Gambar 3.4 Siklus gabungan

TMB

Page 19: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

20

Perbedaan dari dua siklus yang telah diuraikan sebelumnya, yaitu pada proses

pembakaran dimana kalor dianggap masuk sistem. Sedangkan pada siklus yang ketiga

yaitu siklus gabungan, proses pemasukan kalornya menggunakan dua cara yaitu

pemasukan kalor volume konstan dan tekanan konstan. Dari cara pemasukan kalornya

terlihat bahwa siklus ini adalh gabungan antara siklus volume konstan dan tekanan

konstan, karena itu siklus ini sering disebut siklus gabungan Diagramnya p-v dapat dilihat

dari gambar

B. Siklus aktual

akhir pembakaran

penyalaan

katup buang terbuka

katup isap terbuka

langkah buang

langkah isap

Gas buang Campuran udara + bahan bakar

langkah kompresi langkah tenaga langkah buang langkah isap

Gambar 3.5 Siklus aktual otto

Pada gambar 3.5 diatas adalah siklus aktual dari mesin otto. Fluida kerjanya adalah

campuran bahan bakar udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas. Pada

langkah hisap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah buang. Proses

pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran. Proses

kompresi dan ekspasi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang

bakar.

Page 20: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

21

pembakaran

injeksi fuel

katup buang tertutup

kompresi

buang

hisap

tenaga

katup buang terbuka

katup masuk tertutup

plug

Gas buang

udara

fuel udara

pemabakara

n

udara

langkah kompresi langkah tenaga langkah buang langkah hisap

Gambar 3.6 Siklus aktual dari mesin diesel.

Pada gambar 3.6 diatas adalah siklus aktual dari mesin diesel. Alasan yang sama

dengan mesin, dengan perbeadaan pada disel pada langkah isap hanya udara saja,

bahan bakar diseprotkan melalui nosel di kepala silinder. Proses pembakaran untuk

menghasilkan panas karena kompresi, atau pembakaran kompresi.

3.2. Menghitung Efiseinsi Siklus Udara Ideal

Qmasuk

mesin motor

bakar

Wberguna = Qmasuk-Qkeluar

Qkeluar

W η =

berguna

Qmasuk

= Qmasuk − Qkeluar

Qmasuk

Gambar 3.7 Bagan efisiensi kerja dari motor bakar

Page 21: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

22

Dari hukum termodinamika II dapat diketahui bahwa tidak mungkin membuat suatu

mesin yang bisa merubah semua energi yang masuk menjadi kerja semuanya. Dengan

kata lain, harus ada sebagain energi yang kebuang ke lingkungan. Jadi, kerja yang

berguna adalah pengurangan dari jumlah energi yang masuk dengan energi yang

terbuang. Perbandingan antara kerja berguna dengan jumlah energi yang masuk ke

mesin adalah definisi dari efisiensi.

A. Efesiensi dari siklus Otto

Pada gambar 3.2 diagram p-v untuk siklus otto, dari gambar bisa dianalisa untuk

menghitung efesiensi siklus sebagai berikut. Energi kalor yang masuk pada volume

kostan adalah sebesar

Qm

= mcv ∆ T .

Qm

= mcv (T

3 − T

2 )

dengan Qm = adalah kalor masuk

m = massa fluida cv = panas jenis pada volume konstan

∆ T = perbedaan temperatur

Energi yang keluar sistem pada volume konstan adalah

Ql

= mcv ∆ T

Ql

= mcv (T

4 − T

1 )

dengan Ql = adalah kalor keluar

m = massa fluida cv = panas jenis pada volume konstan

∆ T = perbedaan temperatur

Definisi dari efisiensi yaitu kerja berguna dibagi dengan energi kalor masuk

η = W

Qm

kerja berguna =

kalor masuk

η = Qm − Ql

= mc

v (T

3 − T

2 ) − mc

v (T

4 − T

1 )

Qm

η = (T

4 − T

1 )

=1 −

T1

mcv (T

3 − T

2 )

(T3 − T

2 ) T

2

Apabila rasio kompresi didefinisikan sebagi perbandingan anata volume silinder

dibagi dengan volume ruang bakarnya yaitu

r = volume silinder

volume ruang bakar =

Vl

+ Vs

Vs

1 maka rumusan efesiensi diatas bisa dituliskan sebagai η = 1

B. Efisiensi siklus tekanan konstan

(r )k −1

Dengan definisi yang sama untuk raso kompresi, efisiensi dari siklus tekanan

Page 22: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

23

konstan adalah sebagai berikut

Page 23: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

24

η = 1 ⎛ β

k

− 1 ⎞

⎜ ⎜ r k −1 k (β − 1) ⎝ ⎠

rasio kompresi diesel

rasio kompresi r

Gambar 3.9 Grafik efisiensi terhadap rasio kompresi mesin disel

Dengan menaikan rasio kompresi efisiensi siklus tekanan konstan atau diesel

semakin naik. Kenaikan rasio kompresi berarti tekanan kompresi juga tinggi sehingga

material yang dibutuhkan harus lebih kuat. Pada rasio kompresi yang sama efisiensi

mesin otto lebih tinggi dibandingkan dengan mesin diesel, akan tetapi mesin otto tidak

bekerja pada rasio kompresi disel karena terlalu tinggi

Page 24: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

25

BAB 4 PRESTASI MESIN

Motor bakar adalah suatu mesin yang mengkonversi energi dari energi kimia yang

terkandung pada.bahan bakar menjadi energi mekaik pada poros motor bakar. Jadi daya

yang berguna akan langsung dimamfaatkan sebagai penggerak adalah daya pada poros.

Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan daya pada

poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya

100%. Selalu ada kerugian yang dihasikan dari selama proses perubahan, hal ini sesuai

dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak mungkin membuat sebuah mesin yang

mengubah semua panas atau energi yang masuk memjadi kerja". Jadi selalu ada

"keterbatasan" dan "keefektifitasan" dalam proses perubahan, ukuran inilah yang

dinamakan efisiensi.

Kemampuan mesin motor bakar untuk merubah energi yang masuk yaitu bahan

bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut kemampuan mesin atau prestasi

mesin. Pada gambar 4.1 adalah penggambaran proses perubahan energi bahan bakar.

25% daya berguna

100% energi

bahan bakar

5% gesekan dan asesoris

30% pendingin

40% gas buang

Gambar 4.1 Keseimbangan energi pada motor bakar

Pada motor bakar tidak mungkin mengubah semua energi bahan bakar menjadi

daya berguna. Dari gambar terlihat daya berguna bagiannya hanya 25% yang artinya

mesin hanya mampu menghasilkan 25% daya berguna yang bisa dipakai sebagai

penggerak dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai untuk menggerakan

asesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian terbuang ke lingkungan

sebagai panas gas buang dan melalui air pendingin.

4.2. Torsi dan daya mesin

Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah

suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa digunakan untuk

menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang berputar pada porosnya. Adapun

perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Apabila suatu benda berputar dan

Page 25: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

26

mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berpuar pada porosnya dengan jari

jari sebar b, dengan data tersebut torsinya adalah

T = Fxb (N.m)

dengan T = Torsi benda berputar (N.m)

F = adalah gaya sentrifugal dari benda yang berputar (N)

b = adalah jarak benda ke pusat rotasi (m)

Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar terhadap porosnya,

dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan torsi dengan besar sama dengan

arah yang berlawanan.

b

F Stator

b Rotor

gaya F

n

-F beban w

Gambar 4.5 Skema pengukuran torsi

Pada motor bakar untuk mengetahui daya poros harus diketahui dulu torsinya.

Pengukuran torsi pada poros motor bakar menggunakan alat yang dinamakan

Dinamometer. Prinsip kerja dari alat ini adalah dengan memberi beban yang berlawanan

terhadap arah putaran sampai putaran mendekati o rpm, Beban ini nilainya adalah sama

dengan torsi poros. Dapat dilihat dari gambar 4.5 adalah prinsip dasar dari dinamometer.

Dari gambar diatas dapa dilihat pengukuran torsi pada poros ( rotor) dengan prisip

pengereman dengan stator yang dikenai beban sebesar w. Mesin dinyalakan kemudian

pada poros disambungkan dengan dinamometer. Untuk megukur torsi mesin pada poros

mesin diberi rem yang disambungkan dengan w pengereman atau pembebanan.

Pembebanan diteruskan sampai poros mesin hampir berhenti berputar. Beban maksimum

yang terbaca adalah gaya pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros

mesin F. Dari definisi disebutkan bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya adalah

sebuah torsi, dengan difinisi tersebut Tosi pada poros dapat diketahui dengan rumus

T = wxb

(Nm)

dengan T = adalah torsi mesin (Nm)

w = adalah beban (kg)

b = adalah jarak pembebanan dengan pusat perputaran

Pada mesin sebenarnya pembebanan adalah komponen-komponen mesin sendiri

yaitu asesoris mesin ( pompa air, pompa pelumas, kipas radiator), generator listrik (

pengisian aki, listrik penerangan, penyalan busi), gesekan mesin dan komponen lainnya.

Dari perhitungan torsi diatas dapat diketahui jumlah energi yang dihasikan mesin

pada poros. Jumlah energi yang dihasikan mesin setiap waktunya adalah yang disebut

dengan daya mesin. Kalau energi yang diukur pada poros mesin dayanya disebut daya

poros

Page 26: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

27

g

4.3. Perhitungan daya mesin

Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam silinder dan

biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut dikenakan pada torak yang

bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi didalam silinder mesin, terjadi perubahan

energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik

pada torak.

Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin

untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-

komponen yang saling berkaitan satu dengan lainnya membentuk kesatuan yang

kompak. Komponen-komponen mesin juga merupakan beban yang harus diatasi daya

indikator. Sebagai contoh pompa air untuk sistim pendingin, pompa pelumas untuk sistem

pelumasan, kipas radiator, dan lain lain, komponen ini biasa disebut asesoris mesin.

Asesoris ini dianggap parasit bagi mesin karena mengambil daya dari daya indikator.

Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena

gesekan antar komponen pada mesin juga merupakan parasit bagi mesin, dengan alasan

yang sama dengan asesoris mesin yaitu mengambil daya indikator. Seperti pada gambar

4.1 terlihat bahwa daya untuk meggerakan asesoris dan untuk mengatsi gesekan adalah

5% bagian.

Untuk lebih mudah pemahaman dibawah ini dalah perumusan dari masing masing

daya. Satuan daya menggunakan HP( hourse power )

N e

= N i − (N + N

a ) ( HP)

dengan Ne = adalah daya efektif atau daya poros ( HP)

Ni = adalah daya indikator ( HP) Ng = adalah kerugian daya gesek ( HP) Na = adalah kerugian daya asesoris ( HP)

4.4. Efisiensi Mesin

Efisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja. Secara alamiah

setiap proses memerlukan energi, menghasilkan kerja untuk melakukan proses,

kemudian ada energi yang harus dibuang. Seperi manusia yang harus makan untuk

melakukan aktifitas kerja, selanjutnya secara alamiah harus ada yang dibuang. Apabila

proses ini tidak berjalan semestinya, manusia dinyatakan dalam keadaan sakit dan tidak

bisa melakukan kerja. Dalam kondisi ini seandainya manusia adalah mesin maka

manusia dalam keadaan rusak.

Konsep efisiensi menjelaskan bahwa perbandingan antar energi berguna dengan

energi yang masuk secara alamiah tidak pernah mencapai 100%. Pada motor bakar ada

beberapa definisi dari efisiensi yang menggambarkan kondisi efektifitas mesin bekerja,

yaitu

1. Efisiensi termal

2. Efisiensi termal indikator

3. Efisiensi termal efektif

4. Efisiensi mekanik

A. Efisiensi termal

Efisiensi termal adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan

perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi berguna

adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. Jadi efisiensi termal

dirumuskan dengan persamaan :

Page 27: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

28

= P xV xnxaxz

η

η = Energi berguna

Energi masuk

B. Efisiensi termal indikator

Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual diagram indikator.

Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja indikator dan energi masuknya adalah

energi dari proses pembakaran perkilogramnya. Perumusannya adalah sebgai berikut

η = Energi berguna

= daya indikator η =

N i

i Energi masuk laju energi kalor masuk per kg

i • Q m

Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah

bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi akor adalah sebagai berikut

• • N i

N i

Q m

= G f xQc η

i =

Q m

ηi

=

G f

xQ

c

rata − rata ,i d

i •

G f xQc

dengan N i

Q m

G f

Qc

= Daya indikator (watt)

= laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam)

= laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam)

= Nilai kalor bahan bakar per kcal/kg

C. Efisiensi termal efektif

Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju

kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai berikut

daya poros η

e =

laju energi kalor masuk

= N

e

per kg • Q

m

N e

ηe

= •

; ηi

=

Prata − rata ,e

xVd

xnxaxz •

G f xQc G f xQ

c

D. Efisiensi mekanik

Semua beban mesin diatasi dengan sumber energi dari proses pembakaran yang

menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang terukur pada diagram indikator

adalah kerja indikato. Kerja indikator persatuan waktu inilah yang akan dtransfer mejadi

kerja poros persatuan waktu. Adapun besarnya nilai efektifitas dari transfer daya indikator

menjadi daya poros adalah efisiensi mekanis. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan

antara daya poros dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai

berikut.

η =

N e

m

N

i

Page 28: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

29

erata − rata e v c ai

=

v

v

Apabila

N e

ηe

= •

Q m

N i

dan ηi •

Q m

maka dua persamaan tersebut disubsitusikan pada η

= N

e

m N

menjadi η =

ηe

m η

i

jadi jelas bahwa daya poros yang dihasilkan dari daya indikator harus

i

dikalikan dengan efisiensi mekaniknya.

E. Efisiensi volumetrik

ηe

= ηm

xηi

Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran

sehingga aliran udara banyak kehilangan energi, disamping itu udara hisap juga

menyerap panas dari saluran hisap terutama pada ujung saluran hisap yang ada katup

masuknya. Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan menyebabkan

massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya. Dengan kondisi tersebut udara

lebih sulit mengalir dengan massa per satuan volumenya juga berkurang. Untuk

mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder dirumuskan ukuran keefektifan

aliran udaran masuk yaitu efisiensi volumetri. Perumusannya adalah sebagai berikut:

o

η = Ga

= o

Gai

jumlah udara masuk kedalam silinder aktual(kg/jam)

jumlah udara masuk kedalam silinder ideal(kg/jam)

o

η = G

a

o

Gai

o

γ = a

o

γ ai

dengan γ = massa jenis udara (kg/m3)

Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:

P = η .η . f .Q .γ .0,0427 kg/cm2

dengan f = perbandingan bahan bakar udara

o

G f

f = = o

Ga

jumlah bahan bakar yang digunakan kg/jam

jumlah udara yang digunakan kg/jam

dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata bergantung dari nilai dari

ηv .

F. Laju Pemakaian Bahan Bakar Spesifik

Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah

jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC

adalah ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar. Perhitungan untuk mngetahui SFC

adalah:

o

G f

SFCe

= N

e

N

e

ηe

= •

N

e

ηe xQ

c =

1

η xQ

o

= G f

N

= SFC

Page 29: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

30

G f xQc G f e c e

Page 30: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

31

BAB 5 DASAR TURBIN GAS

Turbin gas adalah sebuah mesin panas pembakaran dalam, proses kerjanya seperti

motor bakar [gambar 5.1] yaitu udara atmosfer dihisap masuk kompresor dan dikompresi,

kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan dipakai untuk proses pembakaran,

sehingga diperoleh suatu energi panas yang besar, energi panas tersebut diekspansikan

pada turbin dan menghasilkan energi mekanik pada poros, sisa gas pembakaran yang

keluar turbin menjadi energi dorong (turbin gas pesawat terbang). Jadi, jelas bahwa turbin

gas adalah mesin yang bisa mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau

dorong.

Persamaan turbin gas dengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya

yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu

hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada

kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating)

sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap

(intermiten), untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak

pernah dipakai untuk gaya dorong.

HISAP KOMPRESI I

PEMBAKARAN BUANG

I

HISAP KOMPRESI PEMBAKARAN BUANG

Gambar 5.1 Mesin pembakaran dalam ( turbin gas dan motor bakar)

Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap

kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar

yang prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap, kompresi,

pembakaran, ekspansi dan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling

bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan

energi dari energi panas mejadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada

motor bakar pada langkah ekspansi terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi

mekanik gerak bolak-balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus

tidak banyak getaran.

Page 31: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

32

disel

turbin gas

saluran masuk bahan bakar

sudu kompresor

roda gigi pemindah reduksi

ruang bakar dengan aliran udara pendingin

sudu turbin

saluran gas buang difuser

poros mesin

saluran masuk udara hisap

Gambar 5.2 Perbandingan turbin gas dan mesin disel

Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet [gambar 5.1], mesin

automotiv, tenaga pembangkit listrik [gambar 5.2], atau penggerak peralatan-peralatan

industri seperti penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasilkan turbin gas mulai

dari 250000 HP untuk pembangkit listrik sampai 5 HP pada turbocharger pada mesin

motor.

Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil

bisa menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 5.2 adalah turbin gas

yang biasa dipakai untuk penggerak generator lisitrik keci. Generator ini banyak dipakai

untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan

kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung gedung perkantoran, rumah sakit, universitas,

perusahaan dan lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan

dengan penggunaan generator penggerak disel, dengan penggerak turbin gas ukurannya

menjadi lebih kecil, sehingga bisa menghemat tempat dan mudah dipindahkan.

Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin

dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil.

Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan

yang tepat , dan tidak bisa digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan

listrik turbin gas sangat menguntungkan karena mesin mudah diinstal, operasinya tidak

ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar

Page 32: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

33

5.2. Dasar Kerja Turbin Gas

Pada gambar 5.5 adalah salah satu mesin turbin gas pesawat terbang, adapun

cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starter dinyalakan, kompresor berputar dan

mulai bekerja menghisap udara sekitar, udara kemudian dimampatkan. Udara pada tahap

pertama dimampatkan dahulu pada kompresor tekanan rendah, diteruskan kompresor

tekanan tinggi. Udara mampat selanjutnya masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan

bakar yang sudah disemprotkan. Campuran bahan bakar udara mampat kemudian

dinyalakan dan terjadi proses pembakaran. Gas hasil proses pembakaran berekspansi

pada turbin, terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin,

sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong. Setelah memberikan sisa gaya

dorongnya, gas hasil pembakaran keluar melalu saluaran buang. Dari proses kerja turbin

gas pesawat terbang tersebut, dihasilkan daya turbin yang digunakan untuk menggerakan

kompresor, menghasikan daya dorong, dan menggerakan peralatan bantu lainnya.

kompreasor tekanan rendah dan tinggi

ruang bakar

turbin

gaya dorong

trust

saluran bahan bakar

poros

Terlihat pada gambar disamping

turbin gas dipasang pada sayap

pesawat terbang untuk menghasilkan

daya dorong. Turbin gas harus ringan,

daya besar dan tingkat keberhasilan

selama beroperasi harus 100%

turbin gas

Gambar 5.5 Turbin gas pesawat terbang

Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 5.6, cara kerjanya sama

dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan

temperatur dan tekanan yang cukup tinggi ( 200 0C, 6 bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas

pembakaran dengan temperatur tinggi ( 6 bar, 750 0C ) berekspansi pada turbin, sehingga

terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah berekspansi di turbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbin gas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.

Page 33: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

34

bahan bakar

ruang bakar

udara pendingin ruang bakar

Motor starter

poros turbin

transmisi

sudu kompresor

udara segar (baru), 1bar 15 0C

sudu turbin

gas bekas 1 bar,380 0C

poros turbin kompresor ruang bakar

turbin

Gambar 5.6 Turbin gas untuk industri ( pembangkit listrik)

Dari uraian cara kerja turbin gas diatas, dapat disebutkan komponen komponen

mesin turbin gas yang penting, yaitu kompresor, ruang bakar, dan turbin. Jadi, daya yang

dihasilkan turbin tidak hanya menggerakan beban, yaitu generator listrik, tetapi juga harus

menggerakan kompresor.

5.4. Proses Pembakaran

Pada gambar 5.6, dapat dilihat dari kotruksi komponen ruang bakar, apabila

digambarkan ulang dengan proses pembakaran adalah sebagai berikut

zona primer zona sekunder

nosel bahan bakar swirel udara

zona pencampuran

aliran udara primer

udara mampat kompresor

aliran udara sekunder dan pendingin

gas pembakaran ke turbin

Gambar 5.7 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas

Page 34: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

35

Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin disel,

yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut,

udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu

udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara

mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang

bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar kemudian

disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran.

Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini

menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.

Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar

akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan

menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses

pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang

bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan

temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara

pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak

melebihi dari yang diijinkan.

Pada gambar 5.7 diatas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dillute

zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian

udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas

pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai

sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder

juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah

energi kinetik gas pemabakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut

m xV 2

Wkinetik ,1 = 1

2 dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi

(m + m )xV 2

Wkinetik , 2 = 1 2

2 jadi dapat dilihat Wkinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 ( tanpa udara

sekunder).

Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara

yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran

dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara

pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses

pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang

bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah

udara kurang dari normal, yaitu terjadi overheating, material ruang bakar dan sudu-sudu

turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin

gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.

Page 35: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

36

BAB 6 SIKLUS TERMODINAMIKA TURBIN GAS

Turbin gas merupakan suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik

Brayton. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s adalah sebagai

berikut [gambar 6.1]:

p atm

p2 = konstan

[B] 3

2

T K p2 = konstan

3

p1 = konstan

[A]

1

[C]

[D]

2

4 [A]

1

[B]

[D]

[C]

4

p1 = konstan

diagram p-v v m3

diagram t-s s

Gambar 6.1 Diagram p-v dan T-s

Urutan proses kerja sistem turbin gas [gambar 6.2] adalah :

1-2 Proses kompresi adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik [A]

2-3 Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan,

dihasilkan panas pada ruang bakar [B]

3-4 Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan

kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C]

4-1 Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan [D]

Dari diagram T-S dapat dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperatur naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur

dan tekanan ini diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan

dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi proses pembakaran, temperatur naik lagi sampai T3. Temperatur T3 adalah temperatur

gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahan material turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperatur gas sisa menjadi turun sampai T4 dan temperatur gas sisa ini masih tinggi diatas temperatur T1.

1.1. Klasifikasi Turbin Gas

Ada banyak tipe turbin gas, tetapi dengan prinsip kerja yang sama, yaitu mengikuti

siklus Bryton. Siklus tersebut adalah siklus dasar yang menjadi patokan dalam

perancangan turbin gas . Secara teoritis kelihatan tidak ada kesulitan, tetapi pada

kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak kesukaran, terutama yang

berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar dan ketersedian material yang

bekerja pada temperatur tinggi. Dengan berbagai alasan dan tujuan, banyak tipe turbin

gas yang dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah

Page 36: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

37

4

1. Pemakaian bahan bakar harus lebih bervariasi tidak hanya untuk bahan bakar cair

dan gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan lingkungan,

khususnya untuk bahan bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas

terbuka dan tertutup atau turbin gas langsung dan tidak langsung 2. Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit daya

dorong dan pembangkit listrik, turbin gas sekarang banyak digunakan untuk

pengerak mula, contohnya penggerak pompa dan kompresor pada industri-industri atau pusat pembangkit tenaga (power plant). Untuk keperluan tersebu, dibuat

turbin gas dengan model satu poros dan dua poros

A. Turbin gas sistem terbuka ( langsung dan tidak langsung)

udara mampat

T2 ruang bakar

(pembakaran)

2

gas pembakaran

T3 3

kompresor turbin

kerja

T1 4 T 1

udara segar gas buang

Gambar 6.2 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka langsung

Pada sistem turbin gas terbuka langsung [gambar 6.2], fluida kerja akan keluar

masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas keluar turbin ke

lingkungan. Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan bahan bakar yang

digunakan terbatas yaitu hanya bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum

digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur unsur yang merugikan.

Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang

bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, karena gas pembakaran langsung

besinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin,

menjadi sangat penting, jika hal ini diabaikan akan berakibat fatal dan sangat merugikan,

yaitu sudu-sudu turbin bisa bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin

menurun, dan secara keseluruah efisien kerja menjadi rendah.

Turbin gas sistem terbuka banyak dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena

bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan

pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang.

Bahan bakar padat tidak disarankan untuk digunakan pada sistem turbin gas

terbuka langsung, karena hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat

korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu turbin. Kendala tersebut dapat

diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran fluida kerja, dengan kata lain,

fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk

keperluan tersebut, dibuat turbin gas sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini,

proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan

saluran fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan

ditransfer ke fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar kalor.

Model transfer energi panas dari ruang bakar ke fluida kerja secara lansung adalah

sebagai berikut. Pipa pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor

dilewatkan ke ruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara

Page 37: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

38

langsung ke fluida kerja didalam pipa pipa, temperatur fluida akan naik sampai nilai

tertentu sebelum masuk turbin.

Untuk model transfer panas dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada turbin

gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering disebut dengan

reaktor. Di dalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang menghasilkan panas yang tinggi,

panas yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin

reaktor, fluida tersebut sering diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer

bersuhu tinggi dialirkan ke alat penukar kalor. Didalam alat penukar kalor terdapat pipa-

pipa berisi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida

sekunder. Dengan kondisi tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer bersuhu tinggi

ke fluida sekunder bersuhu rendah.

Pada gambar 6.3, adalah contoh skema untuk turbin gas sistem terbuka. Dapat

dilihat fluida kerja yang dipakai adalah udara. Udara masuk kompresor, dan keluar

sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk ruang bakar

dan menyerap panas dari proses pembakaran, lalu keluar ruang bakar dengan temperatur

tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk

memberikan energinya ke sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi panas

fluida kerja menjadi putaran poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja

lalu keluar turbin dengan temperatur relatif rendah ke lingkungan.

ruang bakar

SUMBER ENERGI

transfer panas

udara mampat 2 menerima panas

penukar kalor

udara panas tekanan tinggi

3

kompresor turbin

kerja

1

udara segar masuk

4

udara panas tekanan rendah keluar

Gambar 6.3 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

Pada gambar 6.4 adalah contoh sistem turbin gas tak langsung dengan penukar

kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang dipakai adalah udara. Udara masuk

kompresor dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi

tersebut, masuk penukar kalor dan menyerap panas dari sumber panas. Sumber panas

tersebut adalah fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida

primer ini, sebagai pembawa energi panas dari proses pembakaran bahan bakar nuklir,

yang biasa digunakan adalah air atau gas helium. Proses selanjutnya adalah sama

dengan skema gambar 6.3

Page 38: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

39

turbin

fluida primer bertemperatur rendah

udara mampat (fluida sekunder)

ruang bakar atau reaktor

SUMBER ENERGI

transfer panas

2 menerima panas

penukar kalor

fluida primer bertemperatur tinggi

udara panas tekanan tinggi

3

kompresor turbin

kerja

1

udara segar masuk

4

udara panas tekanan rendah keluar

Gambar 6.4 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung

B.Turbin gas sistem tertutup ( langsung dan tidak langsung)

reaktor

SUMBER ENERGI

helium tekanan tinggi

2

penukar kalor

helium panas tekanan tinggi

kompresor

3

turbin

kerja

1 4

helium dingin helium panas tekanan rendah

transfer panas keluar

2

air pendingian masuk

menerima panas

penukar kalor

air pendingian keluar

Gambar 6.5 Bagan kerja turbin gas sistem tertutup langsung

Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas

dengan bahan bakar nuklir [gambar 6.5]. Fluida kerja yang paling cocok adalah helium.

Proses kerja dari sistem tersebut adalah sebagai berikut. Helium tekanan tinggi dari

kompresor dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor.

Setelah itu, helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya.

Energi tersebut diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan langsung

menggerakan kompresor ataupun beban lainnya. Helium keluar turbin, tekanannya sudah

Page 39: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

40

menurun, tetapi masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus

didinginkan sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar

kalor. Selanjutnya, helium dingin masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.

Pada gambar 6.6 adalah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini adalah

sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida kerja primer

menyerap panas dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan ke penukar kalor,

kemudian diserap oleh fluida sekunder. Langkah selanjutnya, prosesnya sama dengan

gambar 6.5.

1.2. EfIsiensi Turbin Gas

Pemakaian turbin gas banyak menguntungkan sebagai pengganti sumber

penggerak lain, seperti yang sudah diuraikan di atas, yaitu turbin gas bentuknya lebih

simpel dan tidak banyak memakan tempat. Kalau dibandingkan dengan turbin uap, turbin

gas lebih mudah dioperasikan, mudah dikendalikan dan instalasinya lebih sederhana.

Akan tetapi, secara aktual efisiensi turbin gas masih rendah. Sudah banyak metode yang

digunakan untuk menaikan efisiensi tersebut.

Dari gambar 6.1 diagram p-v dan t-s, dapat dilihat bahwa ;

Pemasukan panas berlangsung pada tekanan tetap ;

qmasuk

= mc p (T

3−T2 )

Pengeluaran panas juga pada tekanan konstan ;

qkeluar = mc p (T4−T1

)

Sehingga, kerja berguna dapat dirumuskan sebagai berikut ;

Wberguna = qmasuk-qkeluar.= mcp(T3-T2)-mcp(T4-T1)

Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan kerja berguna dengan energi kalor

yang masuk, dirumuskan sebagai berikut ;

W η =

berguna

qmasuk

= q

masuk − q

keluar ,

qmasuk

bisa ditulis dalam bentuk ;

γ −1

⎛ p ⎞ γ

η = 1 − T

1 , atau

η = 1 − ⎜ 1 ⎜

⎜ ⎜ T2 ⎝ p2 ⎠

dimana cp = kapasitas jenis pada tekanan konstan c

γ = p

c Dapat dili

vhat dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas,

p kompresor yang digunakan harus memiliki perbandingan tekanan 2

p1

yang tinggi,

sehingga pemakaian bahan bakar lebih sedikit. Kenaikan perbandingan tekan tidak

selamanya menaikan daya turbin, pada perbandingan tekanan tertentu, daya turbin

mencapai maksimum, selanjutnya daya yang berguna akan kembali turun. Hal ini

dikarenakan, pada perbandingan tekanan yang tinggi diperlukan kerja kompresor yang

besar, padahal kerja kompresor mengambil dari daya turbin. Dengan alasan tersebut,

bisa dipahami kenaikan perbandingan tekanan tidak selalu menguntungan pada nilai

tertentu.

Page 40: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

41

Bagian dari kerja turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor dinamakan

back work ratio [gambar 6.9]. Perbandingan daya pada turbin gas biasanya 3 : 2 : 1, 3

untuk daya turbin, 2 untuk kompresor, dan 1 untuk generator listrik. Sebagai contoh untuk

menggerakan generator listrik 100 kW, turbin gas harus mempunyai daya 300 kW, karen harus menggerakan kompresor sebesar 200 kW.

Dengan alasan itu, banyak faktor yang

harus diperhatikan terutama untuk mengoptimalkan kerja kompresor. Sebagai

contoh, suhu masuk kompresor T1 tidak terlalu

tinggi, dengan alasan pada suhu yang tinggi

kerja kompresor bekerja lebih

Wturbin

Wkompresor

Generator listrik gaya dorong

back work (kerja balik)

berat. Dengan kerja kompre- Gambar 6.9 Back work turbin gas

sor lebih berat, daya yang diambil dari daya turbin lebih banyak sehingga mengurangi

bagian yang lainnya.

Turbin gas pesawat terbang atau helikopter yang beropersi di daerah panas, seperti di gurun, sering mengalami kesulitan. Hal ini berkebalikan pada turbin gas pesawat terbang yang beropersi pada daerah dingin, turbin gas lebih mudah disetart, dengan T1

yang rendah. Dari perumusan kerja berguna dapat dilihat, pada T1 rendah lebih

menguntungkan, karena kerja berguna turbin lebih bagus dibandingkan pada T1 sudah

tinggi. Jadi, pada T1 yang tinggi, kerja kompresor menjadi lebih berat, hal ini akan

menurunkan kerja berguna turbin, dan efisiensi turbin gas menjadi turun.

Dari perumusan kerja berguna turbin, terlihat bahwa temperatur T3 yaitu temperatur

gas pembakaran yang masuk turbin, sangat berpengaruh terhadap kerja turbin, semakin tinggi T3 semakin besar kerja turbin yang dihasilkan. Kenaikan T3 juga tidak selalu

menguntungkan, karena membutuhkan material yang kuat dan mahal. Apabila karakteristik materila turbin tidak memenui standar, kenaikan T3 harus dibatasi untuk

menghindari kegagalan opersi, karena kerusakan material turbin pada suhu tinggi.

Page 41: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

42

BAB 8 MESIN TENAGA UAP

Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 8.1]. Fluida

kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran

digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan didalam boiler atau

sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi

digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut

sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap.

Didalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik didalam

sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan

menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap. Uap panas yang

kelur dari turbin yang sudah dipakai sebagain besar energinya dilewatkan melalui

eqonomiser. Pada eqonomiser uap sisa diambil energi panasnya untuk memanaskan air

yang akan masuk boiler.

8.1. Siklus Termodinamika Mesin Uap

qmasuk

wturbin, keluar

qkeluar

wpompa masuk

Gambar 8.2 Siklus Rankine

q, masuk

\

Boiler

wpompa, masuk

Turbin

wturbin, keluar

Pompa

Kondensor

q, keluar

Gambar 8.3 Bagan siklus Rankin

Page 42: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

43

Proses termodinamika dari siklus Rankine tersebut adalah sebagai berikut [gambar

8.2 dan 8.3] ;

1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pomp

2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler

3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin

4-1 Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan

Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk

boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur

kemudian didalam boiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses

pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap

yang sudah dipanaskan di boiler kemudian masuk turbin. Fulida kerja mengalami

ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. Selama proses ekspansi pada turbin

terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu

menhasilkan putaran poros turbin. Uap yang keluar dari turbin kemudian dikondensasi

pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun. Kemudian siklus

berulang lagi.

Siklus Ideal

Irreversibility dalam turbin Pressure drop

dalam turbin

Irreversibility dalam turbin

Siklus Aktual

Pressure drop dalam kondensor

Gambar 8.4 Diagram siklus aktual Rankine

Gambar 8.5 Proses ireversibeliti pada pompa dan turbin

Page 43: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

44

8.2. Siklus Aktual dari Siklus Rankine

Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor

seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap [gambar 8.4 dan 8.5]

Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler,

kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan jatuh yang

besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk

mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke

turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal.

Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses

ekspansi uap air pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran

uap juga mengibatkan kerugian yang tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam

turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.

Page 44: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

45

BAB 9 TURBIN UAP

9.1. Pendahuluan

Penggunaan turbin uap untuk keperluan industri sudah menjadi pilihan yang paling

menguntungkan, dengan efisiensi yang relatif tinggi dan bahan-bakar yang digunakan

untuk pembangkitan uap bisa bervariasi. Penggunaan turbin uap yang paling banyak

adalah untuk mesin pembangkitan tenaga listrik. Sumber uap panas sebagai fluida yang

mempunyai energi potensial tinggi berasal dari sistem pembangkit uap (boiler) atau dari

sumber uap panas geotermal.

Adapun definisi turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi

potensial uap menjadi energi kinetikdam energi kinetik lalu diubah menjadi energi

mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin dihubungkan dengan yang digerakan,

yaitu generator atau peralatan mesin lainnya, menggunakan mekanisme transmisi roda

gigi. Dari definisi tersebut diatas, turbin uap adalah termasuk mesin rotari. Jadi berbeda

dengan motor bakar yang bolak-balik (reciprocating).

nosel penyembur uap keluar

bola penampung uap

pipa tegak penyuplai uap panas ke bola

dapur atau furnace tempat proses pembakaran ( sumber panas)

bejana air ( tempat penguapan)

Gambar 9.1 Mesin uap Hero

9.2. Asas Impuls dan Reaksi

Turbin uap adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik

uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin.

Sebagai perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi energi panas

gas atau uap di dalam silinder yang mendorong torak untuk bergerak bolak balik. Pada

dasarnya, prinsip kerja mesin torak dengan turbin uap adalah sama. Fluida gas dengan

energi potensial yang besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang

akan medorong torak atau sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau

sudu kemudian bergerak. Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls

Page 45: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

46

mV

mV

B A

Vb

Vb Vs fluida gas Vs

fluida gas

Gambar 9.2 Azas impuls pada plat datar dan sudu

Azas impuls dapat dijelaskan dengan metode sebagai berikut. Pada gambar 9.2 A

adalah sebuah pelat yang ditumbuk dengan fluida gas berkecepatan Vs, dan laju massa •

m , karena pelat itu beroda sehingga bergerak dengan kecepatan Vb. Besarnya daya

dapat dihitung dengan persamaan •

2 •

W optimum ( plat ) = s

4 sedangkan pada ganbar B adalah sebuah sudu yang ditumbuk fluida gas dengan laju

masa m , maka daya yang dihasilkan adalah •

2 •

W optimum (sudu) = s

2 dari dua model diatas, dapat dilihat bahwa model sudu mempunyai daya yang lebih besar

pada kecepatan dan laju massa fluida gas yang sama. Maka, dengan alasan tersebut,

bentuk sudu dianggap yang paling efisien untuk diterapkan pada turbin uap atau jenis

turbin lainnya seperi turbin gas dan air.

Penerapan model sudu tersebut diatas pada turbin uap, penataannya kurang lebih

seperti pada gambar 9.3, yaitu menata sudu-sudu tersebut sebaris mengelilingi roda jalan

atau poros turbin uap, sehingga terjadi keseimbangan gaya.

sumbu putar

U

Gambar 9.3 Sudu sudu impuls pada rotor turbin uap

Page 46: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

47

pembangkit uap bejana air ( tempat

penguapan)

turbin impuls

Gambar 9.4 Mesin uap Branca dengan turbin impuls

Model turbin impuls dalam sejarahnya sudah pernah dibuat oleh Branca, pada

gambar 9.4, prinsip kerjanya adalah dengan menyemburkan uap berkecapatan tinggi

melalui nosel ke sudu-sudu impuls pada roda jalan. karena tumbukan antara semuran gas

dengan sudu-sudu jalan turbin impuls, poros turbin menjadi berputar,

Berbeda dengan azas impuls azas azas reaksi, untuk sebagaian orang lebih susah

dipahami. Untuk menggambarkan azas reaksi bekerja pada gambar adalah model jet uap

dari Newton

gaya reaksi gaya aksi

Gambar 9.5 Mesin uap Newton gaya aksi rekasi

Semburan uap dari tabung mempunyai energi kinetik yang besar sehingga sepeda akan

bergerak ke kiri. Dari hal tersebut bisa dipahami bahwa mesin tersebut bekrja dengan

azas reaksi, yaitu semburan uap melakukan aksi sehingga timbul reaksi pada sepeda

untuk begerak melawan aksi. Pada gambar adalah contoh lain dari aksi reaksi.

gaya aksi

gaya reaksi

Gambar 9.6 Gaya aksi reaksi pada balon

Page 47: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

48

9.3. Segitiga Kecepatan

gas panas energi Vb

tinggi

langkah ekspansi motor bakar

ekspansi nosel

Vr1

φ

VS1

θ

VB

VB

Vr1

VS1

φ θ γ

δ VB

Vr2 VS2

VB

γ δ

Vr2 VS2

VB

Gambar 9.7 Segitiga kecepatan pada sudu turbin impuls

Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida gas yang menumbuk

sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan sangat membantu alam

pemahaman proses konversi pada sudu-sudu turin uap atau pada jenis turbin yang lain.

Adapun notasi dari segitiga kecepatan adalah sebagai berikut

Vs1 = Kecepatan absolut fluida meninggalkan nosel

VB = Kecepatan sudu

Vr1 = kecepatan relatif fluida

Vr2 = Kecepatan relatif fluida meninggalkan sudu

Vs2 = Kecepatan absolut fluida meninggalkan sudu

= θ sudut nosel

= φ sudut masuk sudu

= δ sudut keluar sudu

= γ sudut keluar fluida

Dari segitiga kecepatan diatas, panjang pendeknya garis adalah mewakili dari besar kecepatan masing-masing. Sebagai contoh, fluida masuk sudu dari nosel dengan kecepatan VS1 kemudian keluar dari nosel sudah berkurang menjadi VS2 dengan garis

yang lebih pendek, artinya sebagian energi kinetik fluida masuk sudu diubah menjadi energi kinetik sudu dengan kecepatan VB, kemudian fluida yang sudah memberkan

energinya meningglkan sudu dengan kecepatan VS2.

Proses perubahan atau konversi energi pada turbin adalah sama dengan

perubahan energi pada motor bakar, tetapi dengan metode yang berbeda. Untuk motor

bakar, pada langkah ekspansi fluida gas yaitu gas pembakaran energinya mengalami

penurunan bersamaan dengan penurunan tekanan di dalam silinder, hal itu karena

sebagian energinya diubah menjadi energi kinetik gas pembakaran dan dikenakan

langsung pada torak. Karena ada dorongan dari energi kinetek gas pembakaran torak

begerak searah dengan gaya dorong tersebut, kondisi ini disebut langkah tenaga.

Page 48: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

49

gas panas (uap panas ) tekanan tinggi, kecepatan rendah

proses ekspansi

gas panas tekanan rendah, kecepatan tinggi

nosel

Gambar 9.8 Proses ekspansi pada nosel

Pada turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu ekspansi fluida

gas pada nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida mengalami penurunan,

demikian juga tekanannya. Berbarengan dengan penurunan energi dan tekanan,

kecepatan fluida gas naik, dengan kata lain energi kinetik fluida gas naik karena proses

ekspansi. Kemudian, fluida gas dengan energi kinetik tinggi menumbuk sudu turbin dan

memberikan sebagian energinya ke sudu, sehingga sudu pun begerak. Perubahan energi

dengan tumbukan fluida di sudu adalah azas impuls.

Untuk perubahan energi dengan azas reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti

nosel. Hal ini berarti, pada sudu turbin reaksi terjadi proses ekspansi, yaitu penurunan

tekanan fluida gas dengan dibarengi kenaikan kecepatan. Karena prinsip reaksi adalah

gerakan melawan aksi, jadi dapat dipahami dengan kenaikan kecepatan fluida gas pada

sudu turbin reaksi, sudu turbin pun akan bergerak sebesar nilai kecepatan tersebut

dengan arah yang berlawanan.

nosel sebagai nosel

TURBIN IMPULS

impuls

reaksi

nosel sebagai sudu

TURBIN REAKSI

aksi

Gambar 9.9 Fungsi nosel

Page 49: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

50

Vr1

VS1

komponen aksi

VB

VB

komponen reaksi bentuk nosel, ekspansi Vr2> Vr1

Vr2 VS2

VB

Gambar 9.10 Segitiga kecepatan sudu bergerak turbin reaksi

9.4. Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin yang mempunyai roda jalan atau rotor dimana terdapat

sudu-sudu impuls. Sudu-sudu impuls mudah dikenali bentuknya, yaitu simetris dengan

sudut masuk φ dan sudut keluar γ yang sama (20 0), pada turbin biasanya

ditempatkan pada bagian masuk dimana uap bertekanan tinggi dengan volume spesifik

rendah. Bentuk turbin impuls pendek dengan penampang yang konstan.

Ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada

nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-sudu

turbin uap terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak. Sudu tetap berfungsi sebagai nosel

dengan energi kinetik yang naik, sedangkan pada sudu begerak tekanan adalah konstan

atau tetap. dari karakteristik tersebut, turbin impuls sering disebut turbin tekanan sama

Bentuk dari sudu tetap turbin impuls ada dua macam yaitu bentuk simetris dan

bentuk tidak simetris. Pada bentuk sudu tetap simetris, profile kecepatan dan tekanan

adalah sama, tidak ada perubahan kecepatan dan tekanan. Sedangkan pada sudu tetap

yang berfungsi sebagi nosel mempunyai bentuk seperti nosel yaitu antar penampang

sudu membetuk penampang yang menyempit pada ujungnya. Karena bentuknya nosel,

kecepatan akan naik dan tekanan turun. Bentu pertama simetri dipakai pada turbin uap

Curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin uap Rateau.

A

B

bentuk sama SIMETRIS

B

bentuk berbeda NOSEL

Gambar 9.11 Bentuk sudu tetap turbin impuls

Page 50: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

51

ke

cep

ata

n a

bsolu

t te

kan

an

A. Turbin impuls satu tahap ( Turbin De Laval)

Pada gambar diatas adalah skema turbin De laval atau turbin impuls satu tahap.

Turbin terdiri satu atau lebih nosel konvergen divergen dan sudu-sudu impuls terpasang

pada roda jalan (rotor). Tidak semua nosel terkena semburan uap panas dari nosel,

hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran dengan jalan menutup satu atau lebih nosel

konvergen divergen.

Adapun cara kerjanya adalah sebgai berikut. Aliran uap panas masuk nosel konvergen divergen, di dalam nosel uap berekspansi sehingga tekanannya turun. Berbarengan dengan penurunan tekanan, kecepatan uap panas naik, hal ini berarti terjadi kenaikan energi kinetik uap panas. Setelah berekspansi, uap panas menyembur keluar nosel dan menumbuk sudu-sudu impuls dengan kecepatan abolut Vs1. Pada sudu-sudu

impuls uap panas memberikan sebagian energinya ke sudu-sudu, dan mengakibatkan sudu-sudu bergerak dengan kecepatan Vb. Tekanan pada sudu-sudu turbin adalah

konstan atau tetap, sedangkan kecepatan uap keluar sudu berkurang menjadi Vs2

sudu-sudu impuls

nosel konvergen

divergen

Vs1

Vs2

Gambar 9.12 Turbin uap impuls satu tahap

B. Turbin impuls gabungan

Turbin impuls satu tahap atau turbin De laval mempunyai kendal-kendala teknis

yang tidak menguntungkan. Sebagai contoh berikut ini, kecepatan uap masuk sudu terlalu

tinggi kalau hanya untuk satu baris sudu, efeknya kecepatan putar sudu menjadi tinggi,

dan melampaui batas keselamatan yang diizinkan, karena tegangan sentrifugal yang

harus ditahan material rotor. Disamping itu dengan kecepatan rotor yang tinggi diperlukan

roda gigi reduksi yang besar dan berat untuk menghubungkan rotor dengan generator

listrik. Dengan alasan-alasan tersebut, dikembangkan dua pilihan turbin impuls gabungan

Page 51: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

52

tek

anan

ke

cep

ata

n a

bsolu

t

yaitu turbin gabungan kecepatan atau turbin Curtiss dan turbin impuls gabungan tekanan

atau turbin Rateau

B.1. Turbin impuls Curtiss

Turbin uap Curtiss adalah turbin yang bekerja dengan prinsip impuls secara

bertahap. Berbeda dengan turbin satu tahap, turbin Curtiss mempunyai beberapa baris sudu bergerak dan baris sudu tetap. Pada gambar 9.13 adalah susunan turbin uap Curtiss, proses ekspansi uap panas pada nosel, dimana kecepatan uap panas naik ( Vs1)

dan tekanan turun.

Uap panas yang mempunyai kecepatan tinggi masuk baris pertama sudu bergerak, pada tahap ini uap memberikan sebagian energinya sehingga kecepatannya turun (Vs2).

Selanjutnya, sebelum masuk baris sudu bergerak tahap II, terlebih dahulu melewati sudu tetap. Pada sudu-sudu tetap yang berbentuk simetris, uap tidak kehilangan energinya, kecepatan (Vs3) dan tekanannya konstan. Uap dengan kecepatan Vs3 setelah melewati

sudu tetap masuk baris sudu bergerak tahap II, uap memberikan energinya yang tersisa ke sudu-sudu bergerak, karena itu kecepatannya turun kembali menjadi Vs4.

sudu-sudu gerak sudu-sudu

tetap

sudu-sudu

gerak

nosel konvergen

divergen

Vs1

Vs2 Vs3

Vs4

Gambar 9.13 Susunan turbin uap Curtiss

Pada turbin Curtiss penurunan uap terjadi dengan sempurna pada nosel sehingga

tidak ada penurunan tekanan lagi pada sudu-sudu, dan energi kinetik dari nosel dipakai

oleh dua baris sudu bergerak tidak hanya satu baris saja. Ciri khas dari turbin ini adalah

kecepatan akan turun setelah melewati sudu bergerak, dan kecepatannya konstan pada

sudu tetap. Untuk memahami lebih lanjut tentang perubahan nilai kecepatan, dapat

menggunakan analisa segitiga kecepatan dari turbin Curtiss. Sebagai contoh dapat dilihat

pada gambar 9.14, dari segitiga tersebut dapat dilihat,

• •

W = m[(V 2 − V

2 )− (V 2 − V

2 )] s1 s 2 r1 r 2

Page 52: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

53

Gambar 9.14 Segitiga kecepatan turbin uap Curtiss

B.2. Turbin impuls Rateau

Pada turbin Curtiss yaitu turbin gabungan kecepatan yang sudah dibahas pada sub

bab diatas, masih mempunyai kelemahan yaitu kecepatan uapnya masih tinggi, sehingga

timbul gesekan yang merupakan kerugian aliran, kondisi ini sama dengan turbin impuls

satu tahap. Untuk mengatasi hal tersebut, Rateau membuat turbin impuls gabungan

tekanan. Pada turbin ini, turbin dibagi menjadi beberapa bagian dengan susunan seri,

dimana setiap bagian terdiri dari nosel dan sudu bergerak, yaitu sama dengan susunan

turbin satu tahap.

Pada gambar 9.15 adalah skema sederhana dari turbin rateau. Dari gambar

tersebut didapat susunan dasar turbin, yaitu terdiri dari dua bagian kombinasi nosel dan

sudu bergerak. Dari diagram tekanan dan kecepatan absolut dapat dibahas sebagai

berikut. Uap panas pertama masuk pada bagian pertama, kecepatan akan naik pada

nosel dan kemudian turun pada sudu bergerak. Selanjutnya, uap panas masuk ke nosel

bagian dua, kecepatan naik lagi pada nosel dan turun kembali pada sudu bergerak. Pada

setiap bagian, uap akan mengalami penurunan tekanan setelah dari nosel.

Jadi pada turbin Rateau, uap panas akan berekspansi setiap masuk nosel, dengan

demikian energi uap akan terbagi merata. Jika dibandingkan dengan turbin satu tahap,

pada turbin ini, jumlah energi uap panas yang berekspansi pernoselnya jauh lebih kecil,

sehingga kenaikan kecepatan absolutnya tidak terlalu tinggi.

Turbin ini mempunyai keunggulan yaitu kecepatan sudunya rendah, kecepatan uap

rendah ( gesekan kecil),dan distribusi kerja perbagian merata. Kelemahannya adalah

penurunan tekanan yang terus menerus pada setiap bagian, sehingga resiko kebocoran

uap lebih besar. Untuk memperoleh efisiensi tinggin, turbin rateau juga harus mempunyai

tahapan yang banyak. Dengan alasan-alasan tersebut, turbin Rateau banyak dipakai

untuk unit yang besar, dimana efisiensi lebih penting daripada biaya investasi

Page 53: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

54

ke

cep

ata

n a

bsolu

t te

kan

an

Gambar 9.15 Segitiga kecepatan turbin uap Rateau

Vs1

Vs1

Vs2

Vs3

Vs4

Gambar 9.16 Susunan turbin uap Rateau

Page 54: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

55

Pada gambar adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rateau. dari segitiga

tersebut terlihat bentuk dari segitiga adalah sama untuk setiap tahap, dimana bentuknya

adalah segitiga kecepatan turbin satu tahap yang disusun seri. Kecepatan Vs1 dari sudu

tetap yang berfungsi nosel, akan masuk ke sudu bergerak dan nilainya turun menjadi Vs2,

demikian juga untuk kecepatan relatifnya juga turun. Kemudian, kecepatan Vs2 naik lagi

setelah melewati sudu bergerak menjadi Vs3, dimana nilai kecepatan ini secara ideal

adalah sama dengan Vs1, dan prosesnya berlanjut sampai tahap terakhir turbin.

9.5. Turbin Reaksi

Turbin reaksi pertama kali dikenalkan oleh Parson, pada gambar 9.17 adalah

contoh turbin rekasi tiga tahap, terdiri dari 3 baris sudu tetap dan 3 baris sudu bergerak.

Sudu tetap dibuat sedemikian rupa sehingga fungsinya sama dengan nosel. Sedangkan

sudu bergerak dapat dibedakan dengan jelas dengan sudu impuls karena tidak simetris.

Sudu bergerak pun difungsikan sebagai nosel, karena fungsinya yang sama dengan sudu

tetap, maka bentuknya sama dengan sudu tetap, tetapi arah lengkungannya berlawanan.

Gambar 9.17 Susunan turbin uap Rateau

Penurunan tekanan adalah sinambung dari tahap satu ke tahap berikutnya, dari

sudu tetap dan sudu bergerak. Kecepatan absolutnya setiap melewati sudu tetap akan

naik dan setelah melewati sudu bergerak akan turun, selanjutnya akan berulang sampai

akhir tahap.

Pada gambar 9.18 adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rekasi dua tahap.

Dari gambar segitiga kecepatan tersebut menunjukan bentuk segitiga kecepatan untuk

sudu tetap akan sama, demikian juga untuk sudu gerak. Kecepatan Vs1 dari sudu tetap

akan turun nilainya setelah melwati sudu bergerak menjadi Vs2,akan tetapi kecepatan

relatinya menjadi besar yaitu Vr2. Selanjutnya, Vs2 dinaikan lagi nilainya setelah masuk

ke sudu tetap, menjadi Vs3 yang sama dengan Vs1, dan seterusnya sampai tahap akhir

turbin.

Page 55: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

56

Gambar 9.18 Susunan turbin uap Rateau

Daya yang dihasilkan turbin rekasi dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut

• •

W = m[(V 2 − V

2 )− (V 2 − V

2 )] s1 s 2 r1 r 2

dan daya optimum tercapai pada kecepatan sudu optimum yaitu • •

2 W = mVb optimum

Page 56: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

57

BAB 10 PRINSIP DASAR ALIRAN

Indonesia mempunyai potensi sumber daya alam yang besar yang dapat

dimanfaatkan, khususnya sumber daya air yang sangat berlimpah. Air yang tersimpan di

danau, waduk atau yang mengalir di sungai, mempunyai energi potensial yang besar dan

bisa dimanfaatkan untuk menggerakan turbin air [gambar 10.1, 10.2, 10.3]. Dengan

membangun bendungan-bendungan pada tempat-tempat yang tinggi, misalnya di

pegunungan-pegunungan, air bisa diarahkan dan dikumpulkan pada suatu tempat, tempat

tersebut dinamakan waduk atau danau buatan. Dengan memanfaatkan beda tinggi, air

bisa dialirkan melalui saluran saluran ke turbin air, yang dipasang dibawah waduk.

Sebagai contoh pada gambar 10.3 terlihat di bawah waduk dibangun rumah pusat

tenaga, di dalam rumah tersebut terdapat turbin pelton dengan sudu-sudunya, yang

menerima semprotan air dari nosel-nosel, sehingga roda turbin berputar. Air dari turbin

kemudian dialirkan ke sungai. Air waduk mempunyai beda tinggi H, sehingga air

mempunyai energi potensial, yang akan mengalir sampai ke turbin air. Pada sudu-sudu

turbin, energi aliran diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila

roda turbin dihubungan dengan poros generator listik, maka energi mekanik putaran roda

turbin diubah menjadi energi listrik pada generator.

Dari uraian diatas, dapat ditarik kesimpulan bahwa turbin air akan mengubah energi

kinetik air menjadi energi mekanik, yaitu putaran roda turbin. Pada kondisi aktual, tidak

semua energi potensial air dapat diubah menjadi energi mekanik pada turbin, pasti dalam

proses perubahan terdapat kerugian-kerugian. Dari hal tersebut dapat didefinisikan

efisiensi dari turbin yaitu perbandingan daya pada turbin dengan daya air pada waduk.

Adapun perumusannya adalah ;

η = daya keluaran mekanik

daya air pembangkit waduk

Air dari waduk akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalam saluran yang menuju

turbin. Pada turbin air terdapat pengaturan kapasitas untuk memvariasi kapasitas aliran.

Pengaturan kapasitas aliran masuk turbin dimaksudkan untuk merespon beban dan

perubahan head. Perubahan head pada waduk terjadi karena curah hujan tidak sama

sepanjang tahun. Di Indonesia yang beriklim tropis terdapat dua musim yaitu musim

kemarau dan penghujan. Pada musin kemarau head pada kondisi paling rendah dan

sebaliknya pada musim penghujan head paling tinggi

Disamping turbin pelton untuk pembangkitan seperti diatas, dapat digunakan jenis

turbin air lainnya. Dengan menggunakan dasar mekanika fluida kita bisa menentukan

energi potensial aliran, daya turbin, dan karakteristik turbin air lainnya.

Contoh soal 1

Dengan kapasitas tertentu dan head tertentu sebuah pembangkit listrik tenaga air

mempunyai daya air sebesar P = 180000 KW, sedangkan daya yang dihasilkan turbin

adalah P = 160000 KW. Hitung efisiensi turbin tersebut !.

Jawab : Efisiensi turbin adalah perbandingan daya turbin dengan daya air. Dari rumus efisiensi

160000KW turbin yaitu

180000KW = 0,888.

Page 57: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

58

roda peyeimbang

bucket-bucket

bantalan poros

kontruksi penyangga

nosel

pengatur nosel

Gambar 10.6 Turbin Fourneyron

turbin francis A

rotor

Sudu jalan

sudu pengarah

sudu jalan atau runner

poros turbin turbin pelton B

nosel bucket-bucket

turbin kaplan C pengatur sudu

sudu pengarah

sudu jalan atau baling baling

Page 58: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

59

Gambar 10.7 Tipe turbin air yang paling populer

10.2. Instalasi Pembangkit Tenaga Air

Sebelum melakukan pembangunan pusat pembangkit listrik tenaga air,

diperlukan uji kelayakan terhadap sumber air yang akan dimanfaatkan energi

potensialnya. Terutama ketersedian head dan kapasitas terpenui dari bendungan atau

waduk untuk beban yang dirancang. Ada beberapa kategori head tersedia yang

diklasifikasikan sebagai berikut [gambar 10.8]; 1. head tinggi ( lebih dari 240 m)

2. head sedang ( 30 m to 240 m)

3. head rendah ( kurang dari 30 m )

tandon air waduk

Dam

Dam

bendungan

arus sungai

turbin

penstok

turbin

head rendah head sedang head tinggi

Gambar 10.8 Tingkat head sumber air

Setelah mengetahui ketersedian head yang ada, selanjutnya menentukan jenis

turbin dan beban yang terpasang. Beban yang terpasang atau daya keluaran yang

direncankan tidak boleh melampaui dari ketersedian energi potensial air, karena efisiensi

maksimum operasi tidak akan tercapai dan dari segi ekonomis merugikan. Berikut ini

klasifikasi dari jenis pembangkit dilihat dari daya keluaran turbin ;

1. Large-hydro; daya keluaran sampai 100 MW

2. Medium-hydro; daya keluaran mulai 15 - 100 MW

3. Small-hydro;daya keluaran mulai 1 - 15 MW

4. Mini-hydro daya keluaran mulai 100 kW- 1 MW

5. Micro-hydro ;daya keluaran sampai dari 5kW - 100 kW

6. Pico-hydro ;daya keluaran sampai 5kW

Adapun bagian bagian yang penting dari instalasi dari pembangkit listrik tenaga air

adalah sebagai berikut [gambar 4.9] ;

A. Pintu air

Page 59: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

an s

un

gai

dum

ata

u b

end

un

gan

rum

ah t

urb

in

pen

sto

k

turb

in

salu

ran

buang

pip

a is

ap

Gam

bar

10.9

Insta

lasi

turb

in a

ir

Bagian ini terletak pada pinggir bendung dan akan mengontrol kondisi air yang akan

dialirkan. Air yang keluar harus dijamin bersih dari sampah-sampah seperti batang

dan ranting pohon, batu dan kerikil ayau sampai lainnya yang dapat membahayakan

instalasi. Pada pintu air juga harus bisa menghentikan laju aliran air, apabila

saluran harus dikosongkan.

B. Saluran air atau conduit system

Bagian ini berfungsi menyalurkann air dari bendungan menuju turbin. Bentuk

saluran bisa berbentuk saluran terbuka, pressure shaft, tunnel, atau penstock.

Saluran ini dibuat dengan cara penggalian atau pengeboran, dindingnya dengan

dinding batu. Material penstock dari baja

C. Turbin

Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang

kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen-komponen

turbin yang penting adalh sebagai berikut ; − Sudu pengarah, biasanya bisa diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang

masuk turbin

− Roda jalan atau runner turbin, pada bagian ini terjadi peralihan ari energi

potensial fluida menjadi energi mekanik − Poros turbin, pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan

− bantalan radial dan bantalan axial

− Rumah turbin, biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk

mengarahkan aliran masuk sudu pengarah − Pipa hisap, mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran luar

57

Page 60: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk
Page 61: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

58

2

10.3. Energi Potensial Aliran Air

muka air

dam atau

bendungan

energi listrik

aliran listrik

energi potensial

energi kinetik

turbin

penstok energi

mekanik

saluran

buang

generator

turbin

Gambar 10.10 Perubahan energi pada instalasi turbin air

Air yang mengalir melalui saluran mempunyai energi dan energi tersebut dapat

diubah bentuknya [gambar 10.10], adapun perubahan bentuk energinya oleh Bernoulli

dirumuskan sebagai berikut ;

W = m ⋅ g ⋅ z + m p

+ m c

ρ 2

(Nm)

Jadi selama mengalir, energi potensial bisa berubah bentuk menjadi bentuk lainya yaitu

energi potensial, energi tekanan, dan energi kecepatan.

Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan diatas menjadi

persamaan tinggi jatuh atau head ;

Page 62: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

59

c c

2

2 p

2

H = z +

p +

c = konstan

ρ ⋅ g 2g

dimana H = tinggi jatuh air atau head total (m)

z = tinggi tempat atau head potensial (m)

p

ρ ⋅ g

c 2

2 g

= tinggi tekan atau head tekan (m) = tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)

Pada tiap saat dan posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa akan

mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan, dan kecepatan yang sama

besarnya. Persamanan bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk persamaan ;

z p

1 1 z 2 2

1 + ρ ⋅ g

+ 2 g

=

2 + ρ ⋅ g

+ 2 g

Arti dari persamaan diatas adalah pada posisi satu pada gambar 10.10 aliran air akan

mempunyai kecepatan dan tekanan tertentu, perubahan energi terjadi karena terjadi

perubahan penampang. Karena luas penampang menjadi kecil, kecepatan aliran airnya

naik, sedangkan tekanannya menjadi turun. Jadi posisi dua energi kecepatannya lebih

besar dari pada posisi satu, dan energi tekanan pada posisi 2 lebih kecil dibanding posisi

satu.

10.4. Prinsip Peralian Energi Aliran

Aliran zat cair akan mengalami perubahan energi dai bentuk satu kebentuk lainnya.

Pada persamaan bernoulli terlihat aliran mempunyai energi tempat, tekan dan energi

kecepatan. Proses perubahan energi dari energi aliran menjadi energi mekanik bisa

dilihat pada gambar 10.11. Dari gambar tersebut menunjukan model perubahan ada dua

cara yaitu prinsip impuls dan prinsip reaksi.

Faksi

Freaksi

F F

impuls atau aksi reaksi

c1

c1

c2

c2

Gambar 10.11 Prinsip impuls dan reaksi

Page 63: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

60

Prinsip inpuls dapat dijelaskan sebgai berikut. Pada gambar 10.11 adalah sebuah

papan beroda sehingga bisa berjalan, pada papan dipasang sudu. Apabila sudu

disemprot air, aliran air akan menumbuk sudu dengan gaya impuls F, dan sudu akan

terdorong dengan arah yang sama dengan gaya yang bekerja, maka papan akan

berjalan searah gaya F. Jadi gerakan papan searah dengan gaya yang beraksi pada

sudu. Ini adalah prinsip dasar dari turbin impuls.

roda jalan pelton

runner turbin francis

c1 c1

c2

buket c2

sudu

Gambar 10.12 Prinsip impuls dan reaksi pada roda jalan pelton dan francis

Prinsip reaksi bisa dijelaskan sebagai berikut. Turbin akan berputar karena

dilewati air dari bejana, artinya sudu turbin akan bereaksi dengan gaya yang berlawanan

arah dengan gaya yang diberikan aliran air.

10.5. Daya Turbin

Bila diketahui kapasitas air dan tinggi air jatuh H, bisa ditentukan daya turbin P (

kW) yaitu ;

P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H ⋅ ηT

dimana P = daya turbin air (kW)

Q = kapasitas atau debit air (m3/dtk)

g = percepatan gravitasi (kg/m2)

H = tinggi jatuh air (m)

ηT

= efisiensi turbin

massa aliran bisa dihitung dengan persamaan ; •

m = Q ⋅ ρ

dimana m = adalah laju aliran masa ( kg/dtk)

Page 64: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

61

perhitungan daya persamaan diatas bisa diubah menjadi

P = m⋅ g ⋅ H

⋅ ηT

atau

P = m⋅ Y

⋅ ηT

Y = kerja spesifik (J/kg)

Y = g ⋅ H

dari perumusan terlihat bahwa daya turbin sangat tergantung dari besar kapasitas aliran

air dan tinggi jatuh air.

Secara sederhana bisa dinyatakan bahwa semakin tinggi tinggi jatuh air, dengan

kapasitas aliran sama, akan mempuyai energi potensial yang lebih besar dibandingkan

dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah. Logika tersebut juga berlaku sebaliknya, yaitu

untuk tinggi jatuh air yang sama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila

kapasitas aliran air juga besar.

Untuk menentukan luas penampang saluran aliran air masuk turbin dapat dihitung

dengan persamaan kontinuitas yaitu ;

Q = A ⋅ v

sehingga

A = Q

v

dimana A = luasan penampang saluaran (m2)

v = kecepatan aliran air (m/dtk)

Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil, pada kapasitas

aliran air yang sama.

10.6. Kecepatan Putar Turbin dan Kecepatan Spesifik

Kecepatan putar turbin harus diusahakan setinggi mungkin, karena dengan

kecepatan putar turbin yang tinggi ukuran turbin menjadi kecil sehingga lebih menguntungkan. Kecepatan spesifik juga sangat penting dalam perancangan, karena dengan mengetahui nq kita bisa menentukan tipe roda turbin. Adapun persamaan nq

adalah sebagai berikut;

nq

= n Q

4 H

3

dimana nq = kecepatan spesifik (rpm)

n = kecepatan putar turbin (rpm)

Suatu turbin yang bekerja pada tinggi jatuh dan kapasitas air yang berbeda, dan

bekerja pada putaran yang ditentukan, apabila mempunyai kecepatan spesifik yang

sama, maka secara geometri bentuk turbin tersebut adalah sama.

Page 65: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

62

2

2 2

BAB 11 KLASIFIKASI TURBIN AIR

Dari perumusan Bernouli, menunjukan bahwa daya air dari suatu aliran mempunyai

bentuk energi yang berbeda-beda. Pada proses peralihan keseimbangan energi antara

energi masuk ke mesin tenaga disatu pihak dengan energi mekanis yang bisa diteruskan

oleh mesin tenaga ditambah energi yang ikut keluar bersama-sama air buangan dipihak

lain. Persamaan keseimbangan tinggi jatuh air adalah sebagai berikut;

z1

+ p1 +

c1

ρ ⋅ g 2g

=

ηt

⋅ H + z 2

+

p2 +

c2

ρ ⋅ g 2 g

ηt ⋅ H =

z1

− z 2

p − p c

2

+ 1 2 + 1

ρ ⋅ g

− c 2

2 g

dari persamaan tersebut, suku sebelah kanan adalah jumlah energi yang dipakai oleh

sudu jalan turbin untuk diubah menjadi energi mekanis.

generator

kincir air aliran air sungai

pondasi

sluran buang

Gambar 11.1 Kincir air

Pada gambar 11.1 adalah gambar kincir air. Kincir air adalah jenis turbin air yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana,

material kayu bisa dipakai untuk membuat kincir air, tetapi untuk opersi pada tinggi jatuh air yang besar biasanya kincir air dibuat dengan besi. Kincir air bekerja pada tinggi jatuh yang rendah biasanya antar 0,1 m sampai 12 meter, dengan kapasitas aliran yang

berkisar antara 0,05 m3/dtk sampai 5 m3/dtk. Dari data tersebut pemakai kincir air adalah di daerah yang aliran airnya tidak besar dengan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros

kincir air berkisar antara 2 rpm sampai 12 rpm.

11.1. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama

A. Turbin pelton

Prinsip dari turbin impuls sudah dijelaskan pada kincir air. Turbin impus bekerja

dengan prinsip impuls. Turbin jenis ini juga disebut turbin tekanan sama karena aliran air

yang keluar dari nosel, tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer. Sebagai

contoh pada gambar 11.2 adalah turbin pelton yang bekerja dengan prinsip impuls,

Page 66: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

63

q =

semua energi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi

energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gaya tangensial F yang

bekerja pada sudu roda jalan. Kecepatan pancaran air dari nosel adalah sebagai berikut ;

c1

= 2 ⋅ g ⋅ H

D jarum katup

d

air tekanan

tinggi

Gambar 11.2 Turbin inpuls dan proses penyemprotan

Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar [gambar 11.4]. Tinggi air jatuh

dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengah-tengah pancaran air. Bentuk sudu

terbelah menjadi dua bagian yang simetris, dengan maksud adalah agar bisa membalikan

pancaran air dengan baik dan membebaslan sudu dari gaya-gaya samping [gambar 11.3].

Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian -bagaian saja scara

bergantian tergantung posisi sudut tersebut. Jumlah noselnya tergantung kepada

besarnya kapasitas air, tiap roda turbin bisa dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6. Adapun

penampang kontruksi sudu jalan dari pelton beserta noselnya dapat dilihat pada gambar

11.2

Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena

pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran air. Pengaturan

nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada

kecepatan tinggi jumlah nosel diperbanyak Hubungan antara jumlah nosel dengan

keceptan sepesifik adalah sebagai berikut.

n n

qT

z

dimana nqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm)

z = jumlah nosel terpasang

Pengaturan nosel pada turbin poros vertikal dan horizontal bisa dilihat pada gambar 11.4

dan 11.5

Gambar 11.3 Roda jalan turbin pelton

Page 67: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

64

dam

roda pelton

buket generator

beda tinggi atau

head air

nosel

air keluar

Gambar 11.4 Instalasi Turbin Pelton poros horizontal

air waduk

bendungan

atau dam

listrik tegangan

tinggi

trafo step up

penstok

head air generator

katup pengatur roda pelton

pembuangan

Gambar 11.5 Instalasi turbin pelton poros vertikal

Page 68: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

65

buket

jarum katup

deflektor

Gambar 11.6 Pengaturan nosel pada turbin pelton

B. Turbin aliran Ossberger

Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head

yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut,

turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik sekala kecil. Sebagai

alternatif turbin jenis impuls yang bisa beroperasi pada head rendah adalah turbin impuls

aliran ossberger atau turbin crossflow. Pada gambar 11.7 adalah turbin crossflow,

kontruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ; 1. Rumah turbin

2. Alat pengarah

3. Roda jalan

4. Penutup

5. Katup udara

6. Pipa isap

7. Bagian peralihan

Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian

aliran air dari dalam silinder keluar melului sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air

menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air

keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap

pertama.

bagian peralihan

roda jalan

alat pengarah katup udara

rumah turbin

penutup

pipa isap

Gambar 11.7 Konstruksi dari turbin impuls ossberger

Page 69: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

66

silinder sudu

banki

pengarah

Gambar 11.8 Aliran air masuk turbin ossberger

Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi

sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama dengan

turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-sudu pada

tekanan yang sama.

11.2. Turbin Reaksi atau Turbin Tekan Lebih

A. Turbin Francis

Turbin francis adalah termasuk turbin jenis ini [gambar 11.9]. Kontruksi turbin terdiri

dari dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut, semuanya terendam

didalam aliran air. Air pertama masuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan

energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masuk ke sudu

pengarah dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yang semakin turun sampai

roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai dibawah 1

atm. Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara

pemasangan pipa isap.

Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisi pembukaan sudu

pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin bisa diperbesar atau

diperkecil. Turbin francis bisa dipasang dengan poros vertikal dan horizontal [gambar 11.10]

Gambar 11.9 Aliran air masuk turbin Francis

Page 70: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

67

Gambar 13.8

B. Turbin Kaplan

Gambar 11.10 Instalasi turbin francis

Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan

prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat

terbang [gambar 10.7]. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan

gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya

putar yang bisa menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada

francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan bisa diputar posisinya untuk menyesuaikan

kondisi beban turbin [gambar 11.11].

Gambar 11.11 Turbin kaplan dengan sudu jalan yang bisa diatur

Page 71: TIM DOSEN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN …library.uwp.ac.id/digilib/files/disk1/1/--timpengaja-46-1-konversi... · Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik ... Sebagai contoh untuk

68

Gambar 11.12 Instalasi pembangkit dengan turbin kaplan

11.3. Perbandingan Karakteristik Turbin

Gambar 11.13

Dapat dilihat pada gambar 11.13 terlihat turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi

pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi atau bahkan beroperasi

pada kapasitas yang sangat renah. Hal ini karena sudu-sudu trubin kaplan dapat diatur

secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas

Berkebalikan denga turbin kaplan turbin pelton adalah turbin yang beroperasi

dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai

karakteritik yang berbeda dengan lainnya yaitu turbin francis bisa beroperasi pada head

yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi