BAB VI SIKLUS-SIKLUS MESIN KALOR Pada bab ini, siklus mesin kalor didiskusikan lebih lengkap dan dibicarakan juga tentang siklus
6.4 Siklus Tekanan Konstan
Dalam siklus ini, proses panas yang disuplai dan panas yang dilepas terjadi secara reversibel pada tekanan konstan. Proses ekspansi dan proses kompresi merupakan proses isentropik. Siklus ditunjukkan melalui diagram T - s dan diagram p - v pada Gambar 6.6 a dan Gambar 6.6b.
Siklus ini dahulu pernah digunakan sebagai basis ideal untuk sebuah mesin pertukaran udara panas, yang dikenal sebagai Siklus Joule atau Siklus Brayton. Sekarang ini, siklus tersebut ideal untuk siklus tertutup unit turbin gas. Diagram garis sederhana suatu pembangkit ditunjukkan pada Gambar 6.7, dimana nomornomornya berhubungan dengan Gambar 6.6a dan Gambar 6.6b. Substansi yang bekerja adalah udara yang mengalir di dalam siklus perputaran aliran mantap, sehingga perubahan kecepatan dapat diabaikan, dan dengan menerapkan persamaan energi aliran mantap untuk setiap siklus, akan didapatkan Input kerja ke kompresor = (h2 – h1) = cp (T2 – T1) Output kerja dari turbin = (h3 – h4) = cp (T3 – T4) Ketersediaan panas dalam pemanas, Q1= (h3 – h2) = cp (T3 – T2) Panas yang dilepas dalam pendingin, Q2 = (h4 – h1) = cp (T4 – T1) Kemudian dari Persamaan 5.3, didapatkan Gambar 6.7. Diagram garis pembangkit turbin gas
Karena proses 1 ke 2 dan proses 3 ke 4 adalah isentropik antara tekanan yang sama p2 dan p1, kita dapat menggunakan Pers. 4.19
kemudian disubstitusikan ke dalam persamaan untuk efisiensi, maka didapatkan :
Pada siklus tekanan konstan, efisiensi termal hanya tergantung pada nisbah tekanan. Pada kasus ideal, nilai γ udara konstan dan sama dengan 1,4. Dalam praktiknya, untuk mendapatkan pusaran udara sebagai aliran yang melalui kompresor dan turbin sebagai mesin yang berputar, efisiensi termal aktual dapat
dikurangi dibandingkan dengan data yang diperoleh melalui Pers. 6.6.
Nisbah kerja siklus tekanan konstan dapat ditentukan sebagai berikut :rasio kerja
=
Berdasarkan Pers. 6.7 dapat dilihat bahwa nisbah kerja tidak hanya tergantung pada nisbah tekanan tetapi tergantung juga pada nisbah suhu minimum dan maksimum. Pemberian suhu masukan, T1, suhu maksimum T3 harus dibuat setinggi mungkin untuk mendapatkan nisbah kerja tinggi.
Untuk siklus terbuka unit turbin gas, siklus aktualnya bukan pendekatan yang bagus untuk siklus ideal tekanan konstan, karena bahan bakar terbakar dengan udara, dan pengisiannya kontinyu ke dalam kompresor. Namun demikian, siklus ideal merupakan dasar yang bagus sebagai bahan perbandingan dan dalam perhitungan untuk siklus ideal terbuka gas turbin, pengaruh massa bahan bakar dan perubahan kerja aliran diabaikan.
Contoh 6.3
Pada unit gas turbin, udara digambarkan pada tekanan 1.02 bar dan 15°C dan dikompresi sampai 6.12 bar. Hitung efisiensi termal dan nisbah kerja siklus tekanan ideal tekanan konstan, jika siklus suhu maksimum dibatasi sampai 800°C.
Penyelesaian :
Siklus ideal ditunjukkan melalui diagram T - s pada Gambar 6.8. Dari Persamaan 6.6
∴ efisiensi termal = 0.402 atau 40.2%
Siklus kerja netto didapatkan melalui kerja yang telah dilakukan turbin dikurangi pada kerja yang telah dilakukan udara dalam kompresor.
Gambar 6.8. Siklus turbin gas untuk contoh 6.3 Dari Pers. 4.19
6 .5 Siklus Udara Standar
Telah dijelaskan pada Sub bab 5.1, siklus dimana bahan bakar terbakar secara langsung dalam fluida yang bekerja bukanlah mesin kalor dalam arti yang sebenarnya. Dalam praktiknya, siklus semacam itu sering digunakan secara terus menerus dan disebut sebagai siklus mesin pembakaran dalam. Bahan bakar terbakar secara langsung dalam fluida kerja, yaitu udara normal. Keuntungan utama unit tenaga tersebut adalah aliran fluida dapat mencapai suhu tinggi, sementara panas tidak ditransferkan melalui dinding logam ke aliran. Hal ini dapat dilihat dari Persamaan 6.1 K 1 TT12, untuk panas yang dilepas, T2, suhu asal, T1 harus dibuat setinggi mungkin. Hal ini diaplikasikan pada semua mesin kalor. Dengan memasukkan bahan bakar ke dalam silinder pada mesin pembakaran dalam, maka suhu tinggi dari fluida kerja dapat dicapai. Suhu maksimum untuk semua siklus dibatasi oleh batasan metalurgi bahan yang digunakan (misalnya, batas suhu dari turbin gas adalah 800°C). Fluida di dalam mesin pembakaran dalam dapat mencapai 2750oC. Hal ini memungkinkan bila dibuat sistem pendinginan eksternal dari silinder dengan menggunakan air atau udara pendingin, bisa juga dengan menggunakan siklus alami yang sesaat (intermittent), fluida kerja mencapai suhu maksimumnya hanya sesaat selama siklus berlangsung.
Contoh dari siklus mesin pembakaran dalam adalah siklus terbuka dari unit turbin gas, motor bensin, motor diesel, dan motor gas. Unit siklus terbuka turbin gas, meskipun termasuk siklus mesin pembakaran dalam, tetapi memiliki katagori yang berbeda dengan mesin pembakaran dalam lainnya. Siklus tersebut dijelaskan pada Sub bab 5.1 dan secara diagramatis diperlihatkan pada Gambar 5.4. Dari proses tersebut dapat dilihat siklus merupakan siklus aliran yang mantap dimana fluida kerja mengalir dari satu komponen ke seluruh siklus. Dapat diasumsikan bahwa unit turbin gas, apakah beroperasi pada siklus terbuka ataupun siklus tertutup, dapat diperbandingkan dengan siklus tekanan konstan seperti telah dibahas pada Sub bab 6.4.
Pada motor bensin campuran antara udara dan bensin terjadi di dalam silinder, dikompresikan oleh piston, kemudian dibakar dengan loncatan bunga api listrik. Gas panas berekspansi, mendorong piston ke belakang, kemudian dikeluarkan melalui pembuangan gas (exhaust), dan siklus berlangsung kembali dari awal dengan pemasukan kembali udara dan bensin. Pada motor diesel atau disebut juga motor minyak,
bahan bakar disemprotkan dengan tekanan tinggi ke dalam udara tertekan pada akhir langkah kompresi, dan pembakaran terjadi secara spontan akibat suhu udara tinggi setelah proses kompresi. Pada motor gas, campuran udara dan gas diinduksikan ke dalam silinder, dikompresi, kemudian dinyalakan seperti pada motor bensin dengan menggunakan loncatan bunga api listrik. Siklus udara standar digunaan untuk memberikan dasar perbandingan motor pembakaran dalam.
Pada siklus udara standar substansi kerja diasumsikan sebagai udara, seluruh proses diasumsikan reversible, suplai sumber panas dan reservoir untuk panas yang dilepas diasumsikan diluar sistem udara. Siklus tersebut dapat digambarkan pada diagram sifat termodinamika, biasanya dalam diagram p-v, sehingga memungkinkan untuk membuat perbandingan langsung dengan siklus motor aktual dari diagram indikator. Perlu ditekankan di sini, siklus udara standar dalam diagram p-v adalah siklus termodinamik sebenarnya, dan diagram indikator diambil dari uji motor yang merupakan hubungan antara variasi tekanan dengan lintasan gerak piston. Diagram indikator dan cara penggunaannya serta signifikansinya akan dibahas pada bab tersendiri.