Makalah Siklus Brayton

SIKLUS BRAYTON

Fani Putri Utami (1108130029), Shelvy Adila El Safura (1108130050), Fira Fauziah Hammur (1108134086), Nida Fariza Maulanisa (1108134089)

Abstrak

Siklus Brayton banyak digunakan pada turbin gas dengan siklus terbuka. Pada siklus Brayton ideal, fluida kerja terkompresi secara reversibel dan isentropik di dalam kompresor. Panas kemudian ditambahkan dalam proses isobarik reversibel di dalam ruang pembakaran atau penukar kalor. Gas panas berekspansi secara reversibel dan isentropik dalam turbin. Kemudian panas dibuang di dalam proses reversibel isobarik. Efiaiensi Siklus Brayton sitinjau bersasarkan loop teryutup dluida kerja, penambahan dan pengurangan kalor terjadi saat tekanan konstan. Keempat proses yang terjadi pada siklus ini berada dalam aliran fluida berkeadaan tunak sehingga menganalisanya dengan batasan keadaan tunak. Disertai pengabaian energi kinetik dan potensial sistem.

Kata Kunci : Siklus Brayton, Siklus Brayton Ideal, Turbin Gas, isentropik, isobarik, isentropik, Efisiensi Siklus Brayton

PENDAHULUAN

Siklus Brayton dikembangkan pertama kali oleh John Barber pada tahun 1791, dan disempurnakan lebih lanjut oleh George Brayton seorang engineer asal Amerika bernama George Brayton pada tahun 1830-1892 untuk mesin pembakaran minyak bolak-balik. Siklus Brayton adalah sebuah siklus termodinamika yang mendeskripsikan kerja dari mesin turbin, gas turbin, atau mesin turbo jet. Pada saat ini banyak digunakan pada mesin turbin gas dengan siklus terbuka. Tetapi untuk memudahkan perhitungan termodinamika dalam perancangan maka dapat dimodelkan sebagai sistem tertutup dengan asumsi standar udara dan penambahan panas dari sumber luar & pembuangan panas ke lingkungan terjadi pada tekanan yang konstan.

PEMBAHASAN I. Komponen

Sebuah mesin Brayton pada gas turbin engine terdiri atas tiga komponen, yaitu: 1. Kompresor

Kompresor berfungsi untuk menghisap udara atmosfer dan mengompresi udara yang selanjutnya akan disalurkan ke dalam ruang bakar. Selain untuk pemanfaatan udara bertekanan juga digunakan untuk pendinginan suhu turbin gas.

Ruang bakar adalah tempat dimana diharapkan terjadi percampuran udara yang telah dimanfaatkan oleh kompresor dengan bahan bakar.

3. Expansion turbine

Turbin merupakan tempat terjadinya perubahan energi kinetik kecepatan menjadi energi mekani putar yang digunakan untuk menggerakan kompresor aksial danjuga sebagai penggerak beban.

4. Heat exchanger (hanya pada sistem tertutup)

II. Prinsip Siklus Brayton

Siklus Brayton dibagi menjadi siklus terbuka dan siklus tertutup. a. Siklus Terbuka

Pada siklus terbuka, fluida kerja adalah udara atmosfer dan proses pembuangan panas terjadi dalam atmosfer karena keluaran turbin dikeluarkan ke atmosfer. Instalasi turbin gas dengan siklus in memiliki struktur yang sederhana, yaitu terdiri dari kompresor, ruang bakar, dan turbin sebagai penggerak beban dan generator listrik. Struktur dan susunan dari instalasi turbin gas dengan siklus terbuka (open cycle) adalah :

b. Siklus Tertutup

Di dalam siklus tertutup, fluida kerja yang dapat digunakan tidak hanya udara sekitar dan proses pelepasan panas dilakukan dalam heat exchanger. Hal ini sangat menguntungkan dari segi pencegahan kerusakan yang disebabkan oleh erosi dan korosi. Dalam sistem, fluida kerja bersiklus secara kontinyu. Semua internal-combustion dan mesin turbojet beroperasi pada siklus terbuka. Kebanyakan external-combustion beroperasi pada siklus tertutup. Struktur dan susunan dari instalasi turbin gas dengan siklus tertutup (close cycle) adalah :

Diagram Siklus Brayton

(1-2) Proses Kompresi Isentropik

Udara atmosfer masuk ke dalam sistem turbin gas melalui sisi inlet kompresor. Oleh kompresor, udara dikompresikan sampai tekanan tertentu diikuti dengan volume ruang yang menyempit. Proses ini tidak diikuti dengan perubahan entropi, sehingga disebut proses isentropik. Proses ini ditunjukan dengan angka 1-2 pada kurva di atas.

(2-3) Proses Pembakaran Isobarik

Pada tahap 2-3, udara terkompresi masuk ke ruang bakar. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar, dan diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran diserap oleh udara (qin), meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume

udara. Proses ini tidak mengalami kenaikan tekanan udara, karena udara hasil proses pembakaran bebas berekspansi ke sisi turbin. Karena tekanan yang konstan inilah maka proses ini disebut isobarik.

(3-4) Proses Ekspansi Isentropik

Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran, berekspansi melewati turbin. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi kinetik (baca artikel berikut). Sebagian energi tersebut dikonversikan turbin untuk memutar kompresor. Pada sistem pembangkit listrik turbin gas, sebagian energi lagi dikonversikan turbin untuk memutar generator listrik. Sedangkan pada mesin turbojet, sebagian energi panas dikonversikan menjadi daya dorong pesawat oleh sebentuk nozzle besar pada ujung keluaran turbin gas.

(4-1) Proses Pembuangan Panas Isobarik

Tahap selanjutnya adalah pembuangan udara kembali ke atmosfer. Pada siklus Brayton ideal, udara yang keluar dari turbin ini masih menyisakan sejumlah energi panas. Panas ini diserap oleh udara bebas, sehingga secara siklus udara tersebut siap untuk kembali masuk ke tahap 1-2 lagi.

Pada siklus Brayton ideal, fluida kerja terkompresi secara reversibel dan isentropik di dalam kompresor (proses 1-2). Panas kemudian ditambahkan dalam proses isobarik (P= Pmax)

secara reversibel dan isentropik (s = smax) dalam turbin (proses 3-4). Kemudian panas dibuang

di dalam proses reversibel isobarik (proses 4-1). Siklus Brayton Aktual:

1. Proses adiabatik  kompresi

2. Proses isobarik  penambahan panas 3. Proses adiabatik  ekspansi

4. Proses isobarik  pelepasan kalor

Karena kompresi maupun ekspansi tidak dapat benar-benar isentropik, loss pada kompresor dan ekspander menunjukkan ketidak-efisienan. Secara umum, meningkatkan rasio kompresi adalah cara terbaik untuk meningkatkan tenaga keluaran overall dari sistem Brayton.

Dengan demikian pada proses steady state untuk masing-masing proses diatas, diperoleh

 Proses 1-2 : Kerja kompresor Wk=Cp

(

T2−T1

)

=h2−h1  Proses 2-3 Pemasukan panas

QRB=Cp

(

T3−T2

)

=h3−h2  Proses 3-4 : Kerja turbin

W_t=Cp

₍

T₃−T₄

₎

=h₃−h₄

 Kerja netto siklus ( W net ) h

(¿¿3−h4)−h₂−h₁

W_net=W_t−W_k=Cp

₍

T₃−T₄

₎

−Cp

₍

T₂−T₁

₎

=¿

III. Efisiensi Siklus Brayton

Siklus pada loop tertutup fluida kerja, penambahan dan pengurangan kalor terjadi saat tekanan konstan dan fluida kerja adalah gas ideal dengan specific heat property konstan. Keempat proses yang terjadi pada siklus ini berada dalam aliran fluida berkeadaan tunak sehingga kita menganalisanya dengan batasan keadaan tunak. Disertai pengabaian energi kinetik dan potensial sistem.

Perhitungan energi panas / kalor masuk (qin):

Perhitungan energi panas keluar (qout):

qout = h4 – h1 = cp ( T4 – T1 )

Perhitungan efisiensi termal (η th):

Karena proses 1-2 dan 3-4 adalah isentropik, dan jika γ adalah rasio kapasitas kalor, maka:

dan

Dan seperti diketahui bahwa P2 = P3 serta P1 = P4, maka:

Sehingga persamaan (1) menjadi:

dimana:

η th = efisiensi termal siklus Brayton

T1 = temperatur udara inlet kompresor (atmosfer)

T2 = temperatur udara outlet kompresor

P1 = tekanan udara inlet kompresor (atmosfer)

P2 = tekanan udara outlet kompresor

γ = rasio kapasitas kalor (γ udara pada 20°C adalah 1,67)

Ada beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi dari Siklus Brayton, seperti meningkatkan rasio tekanan, regenerasi kalor (panas) gas keluaran turbin, memanfaatkan panas yang keluar untuk menghangatkan ruangan dalam sistem Combined Heat and Power (CHP), atau menggabungkan Siklus Brayton dan Siklus Rankine dengan metode cogeneration atau Combined Cycle Gas Turbine (CCGT).

Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif pada material yang digunakan untuk komponen-komponen turbinnya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, vanadium dll), tetapi dalam perkembangannya pengetahuan material yang terus berkembang hal tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu dari kekurangan sebuah turbin gas yang lain.

V. Kalor spesifik (k)

Gas-gas yang memiliki rasio nilai kalor tertinggi disebut noble gas seperti helium, neon, argon, dan sebagainya yang merupakan gas monoatomik. Rasio kalor spesifik gas-gas tersebut adalah 5 -3, untuk diatomik bernilai 7-5, dan triatomik bernilai 8-6. Gas nobel merupakan fluida kerja yang excellent karena tidak menyebabkan korosi, dimana nilai kalor terbaik dimiliki helium ketimbang hidrogen.

VI. Rasio tekanan kompresor (rp)

Meningkatnya rasio tekanan kompresor akan meningkatkan efisiensi termal dari siklus Brayton sederhana. Jika temperatur masukan turbin diubah karena keterbatasan material, kenaikan rasio tekanan kompresor akan mereduksi kerja spesifik dari siklus yang membutuhkan aliran gas rata-rata lebih tinggi untuk tenaga keluaran yang sama. Memaksa kompresor untuk beroperasi pada range tekanan yang lebih lebar akan mengakibatkan berkurangnya efisiensi mekanik dari kompresor, dan hal ini membuat siklus Brayton aktual menjadi tidak efisien.

DAFTAR PUSTAKA

1. _____. (2013). [Online]. Tersedia

Http://Repository.Usu.Ac.Id/Bitstream/Handle/123456789/22969/Chapter

%20ii.Pdf;Jsessionid=C49dd91ea39fff4118ae795d63476495?Sequence=4 [29 Maret 2015]

2. _____. (2013). Siklus Brayton. [Online]. Tersedia : https://sangpencariilmu.wordpress.com/tag/siklus-brayton/ [29 Maret 2015]

3. Faizal. (2014). Prinsip Kerja Turbin Gas. [Online]. Tersedia : http://birulinc.com/prinsip-kerja-turbin-gas/ [29 Maret 2015]

4. Khumairah, Mastura. (____). [Online]. Tersedia: Http://Elektro-Unimal.Blogspot.Com/2013/05/Pembangkit-Listrik-Tenaga-Gas.Html [29 Maret 2015]

5. Suseno, Michael. (2011). Turbin Gas. [Online]. Tersedia : Http://Michael-Suseno.Blogspot.Com/2011/09/Turbin-Gas.Html [29 Maret 2015]

6. Technoart Staff. (2012). Siklus Brayton. [Online]. Tersedia : Http://Artikel-Teknologi.Com/Siklus-Brayton/ [29 Maret 2015]