PRESENTASI TURBIN GAS

TURBIN GAS

Siklus Turbin Gas - Siklus Brayton

Siklus Brayton Ideal

Siklus Brayton adalah siklus tekanan konstan untuk gas sempurna. Siklus Brayton juga sering di namakan siklus Joule. Transfer panas terjadi didalam penukar panas (heat exchanger) tekanan konstan reversibel. Instalasi Turbin Gas ideal akan melakukan proses seperti pada siklus Brayton.

Gambar 1 : Siklus Brayton

a. Komponen2 dari Instalasi daya Turbin Gas

b. Diagram P-V c. Diagram T-s

Proses – prosesnya sebagai berikut :

Proses 1 – 2 : Udara dikompressi secara isentropik dari tekanan rendah p¹ ke tekanan lebih tinggi p2 , sehingga temperatur naik dari T1 ke T2. Tidak terjadi aliran panas (karena proses isentropik / adiabatik reversibel)

Proses 2 – 3 : Proses pemasukan panas kedalam sistem terjadi pada tekanan konstan.

Qⁱⁿ = m. C^p. (T³ – T²)

Proses 3 – 4 : Udara diekspansikan isentropik dari p3 ke p4 sehingga temperatur turun dari T3

ke T⁴ . Tidak terjadi aliran panas.

Proses 4 – 1 : Proses pengeluaran panas dari sistem terjadi pada tekanan konstan.

Q^out = m. Cp. (T⁴ – T¹)

) (

) (

. .

) (

. 1 .

1 tan ker

2 3

1 4 tan

T T

T T C

m

T T C

m

Q Q Q

Q Q

diterima yg

panas jumlah

n dikeluarka yg

panas jumlah

diterima yg

panas Jumlah

diterima yg

panas jumlah

dihasilkan yg

dard ja s

udara Effisiensi

p p

in out in

out in

dard s

udara

− −

=

−

− −

=

−

− =

=

= −

=



Gambar 2 : Pengaruh rasio tekanan pada effisiensi siklus Brayton

Ratio Tekanan untuk Kerja Maximum

Kerja output selama siklus,

= Jumlah panas yang diterima/siklus - Jumlah panas yang dikeluarkan/siklus = m C^p (T³ – T²) - m C^p (T⁴ – T¹)

= m C^p (T³ – T⁴) - m C^p (T² – T¹)

Dalam kasus ini, T¹ adalah temperatur minimum dan T³ adalah temperatur maximum yang di tentukan. T¹ adalah temperatur atmosfir sedangkan T³ adalah temperatur maximum dari mate rial logam turbin yang diizinkan.

 

 



 



 



 −

 −



 



 −

= 1 1

1 2 1 3

4

3

T

T T T

T T

C

m

_p

Rasio Kerja

Rasio kerja didefinisikan sebagai rasio kerja output netto terhadap kerja yang dihasilkan turbin.

Rasio kerja

Contoh soal :

1. Udara memasuki compressor suatu instalasi Turbin Gas yang beroperasi dengan siklus Brayton pada 101325 [Pa], 27 [°C]. Rasio tekanan dalam siklus adalah 6. Bila diassumsi kan W^T = 2,5 W^C , dimana W^T adalah kerja Turbin dan W^C adalah kerja Compressor, dan diketahui = 1,4 , Tentukan temperatur maximum dari siklus dan effisiensi siklus ?

Analisis :

Diketahui : Instalasi Turbin Gas dengan siklus Brayton.

P¹ = 101325 [kPa]

T¹ = 27 [°C] = 300 [K]

r^p = 6 ; W^T = 2,5 W^C ; = 1,4 Ditanya : a. T³

b.

Jawab :





siklus



(i) Mencari temperatur maximum T³ :

2. Suatu Turbin udara isentropik digunakan untuk mensupply 0,1 [kg/det] udara pada 0,1 [MN/m²] dan 285 [K] ke kabin. Tekanan pada pemasukan ke Turbin adalah 0,4 [MN/m²].

Tentukan : a. Temperatur pada pemasukan Turbin ? b. Power yang dihasilkan Turbin ?

Diassumsikan : C^p = 1,0 [kJ/kg K]

Solusi :

TURBIN GAS SIKLUS TERBUKA – SIKLUS BRAYTON AKTUAL

Turbin gas yang beroperasi pada siklus terbuka, Compressor rotary dan Turbin masing-masing dipasang dalam satu poros yang sama (lihat gambar 3). Udara dihisap dalam Compressor rotary lalu udara tersebut dikompressi dan kemudian dilewatkan ke ruang bakar (C.C). Energi disupply ke ruang bakar dengan menyemprotkan bahan bakar ke aliran udara. Maka akan terjadi ledakan sehingga gas panas akan berekspansi melalui Turbin ke atmosfir.

Untuk mendapatkan kerja output netto dari instalasi, Turbin harus menghasilkan kerja output jauh lebih besar dibandingkan kerja yang diperlukan untuk menggerakan Compressor dan untuk mengatasi kerugian mekanis pada saat mengendalikannya. Gas produk pembakaran akan keluar dari Turbin untuk dibuang ke atmosfir. Udara dan bahan bakar harus diganti secara konti nyu, dibakar dalam ruang bakar, diekspansikan didalam Turbin dan setelah itu dibuang ke atmosfir.

Gambar 3 : Turbin Gas siklus terbuka

Dari gambar samping :

Proses 1 – 2’ : Kompressi adiabatik irreversibel

Proses 2’- 3 : Supply panas pada tekanan konstan dalam Ruang Bakar

Proses 3 – 4’ : Ekspansi adiabatik irreversibel Proses 1 – 2 : Kompressi isentropik ideal Proses 3 – 4 : Ekspansi isentropik ideal

Dengan mengassumsikan perubahan energi kinetik relatif sangat kecil dibanding perubahan enthalpinya maka bisa diabaikan.

Kerja input (Compressor) = m^u. C^p (T^2’ – T¹) Jumlah panas yang disupply (Ruang Bakar) = m^u. C^p (T³ – T^2’) Kerja output (Turbin) = m^g. C^p (T³ – T^4’) Dengan mengassumsikan m^u = m^g = m

Kerja output netto = Kerja output - kerja input W^net = m. C^p [(T³ – T^4’)- (T^2’ – T¹)]

ply di

yang panas

Jumlah

netto output

ja

thermal

sup

= ker



therm al



l

Contoh soal 1 :

Dalam suatu instalasi turbin gas yang bekerja pada siklus Brayton, udara pada inlet adalah 27 [°C], 0,1 [Mpa]. Rasio tekanan adalah 6,25 dan temperatur maksimum 800 [°C]. Effisiensi Turbin dan Compressor masing-masing adalah 80%. Bila massa udara bisa dianggap 1 [kg]

Carilah : a. Kerja Compressor ? b. Kerja Turbin ?

c. Jumlah panas yang disupply ? d. Effisiensi siklus ?

e. Temperatur exhaust Turbin ? Lukis T-s Diagram !!

Diketahui : C^p = 1,005 [kJ/kg K] ;

 = 1 , 4

Solusi :

Contoh soal 2 :

Tentukan rasio (udara-bahan bakar) yang diperlukan dalam Turbin Gas dimana effisiensi Turbin dan Compressor masing-masing 85% dan 80%. Temperatur siklus maksimum 875 [°C]. Fluida kerja bisa dipertimbangkan udara (C^p = 1,0 kJ/kg K ; ) yang mana masuk Compressor pada 1 [bar] dan 27 [°C]. Rasio tekanan 4. Bahan bakar yang digunakan mempunyai nilai kalor 42000 [kJ/kg]. Terdapat kerugian 10% dari nilai kalor didalam ruang bakar.

Solusi :

4 ,

= 1



Contoh soal 3 :

Udara memasuki Compresor Turbin Gas tekanan konstan siklus terbuka pada 1 [bar] dengan temperatur 20 [°C]. Tekanan udara sesudah kompressi adalah 4 [bar]. Effisiensi isentropik Compressor dan Turbin masing-masing adalah 80% dan 85%. Rasio udara–bahan bakar adalah 90 : 1. Jika laju alir udara adalah 3,0 [kg/det],

Tentukan : a. Daya (Power) yang dihasilkan?

b. Effisiensi thermal (ηth) dari siklus?

Assumsi : C^p = 1,0 [kJ/kg K] dan untuk udara dan gas.

Nilai Kalor bahan bakar, C = 41800 [kJ/kg]

Solusi :

4 ,

= 1



Meningkatkan Effisiensi Thermal Siklus

Untuk meningkatkan effisiensi thermal siklus, salah satunya adalah dengan menggunakan Regenerasi. Prinsip Regenerasi adalah sebagai berikut,

Gas exhaust dari Turbin Gas masih membawa sejumlah panas yang besar dengan temperatur nya jauh diatas temperatur udara luar. Ini dapat digunakan untuk memanaskan udara dari Compressor yang mana dapat mengurangi massa bahan bakar yang disupply didalam ruang bakar. Gambar dibawah menunjukan, pada proses 2’ – 3 menunjukan aliran panas mengalir didalam udara kompressi selama melewati Heat Exchanger dan proses 3 – 4 menunjukan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Titik 6 menunjukan temperatur gas exhaust pada keluaran Heat Exchanger. Energi yang bisa dicover dari gas exhaust bervariasi antara 50% hingga 90%. Biasanya antara 70% hingga 90%. Prosentase recovery (pengambilan kembali) energi panas dari Heat Exchanger disebut effectifitas (effectiveness) yang disimbolkan dengan ε. Effisiensi thermal dari Turbin Gas tanpa Heat Exchanger biasanya dalam range 15% - 20%, seringnya dari 15% - 20%.

Dengan Heat Exchanger terpasang, effisiensi thermal bisa naik hingga range 20% - 30%

dan kadang-kadang bisa mencapai 34%.

l

Dari gambar diagram T-s diatas dapat dicatat bahwa drop temperatur exhaust maksimum dalam Heat Exchanger = T^5’ - T^2’ dimana T^2’ adalah temperatur terendah dalam Heat Exchanger. Maka

Dengan mengassumsikan dan C^p konstan, maka

) (

) (

)

( T

_5'

T

_2'

m C T

_5'

T

₆

m C T

₃

T

_2'

C

m 

_p

− = 

_p

− = 

_p

−



m 

) (

) (

)

( T

_5'

− T

_2'

= T

_5'

− T

₆

= T

₃

− T

_2'



Contoh soal 4 :

Compressor Turbin Gas menghisap udara pada temperatur 15 [ºC] dan mengkompressikannya empat kali tekanan awal dengan effisiensi isentropic Compressor, ηisen]C = 82%. Udara tekan kemudian dilewatkan Heat Exchanger dan dipanaskan oleh gas exhaust yang keluar dari Turbin sebelum masuk ruang bakar. Didalam Heat Exchanger 78% energi panas yang tersedia diberikan ke udara. Temperatur maximum setelah proses pembakaran tekanan konstan adalah 600 [ºC] dan effisiensi isentropik Turbin, η^isen]^T = 70%. Abaikan semua losses dan assumsikan bahwa fluida kerja mempunyai karakteristik sama dengan udara dengan R = 0,287 [kJ/kg K]

dan = 1,4. Tentukan : Effisiensi thermal plant ? Solusi :

,

Temperatur maximum, T4 = 600 + 273 = 873 [K]

Jawab :



Diketahui : Instalasi Turbin Gas dengan Heat Exchanger

T1 = 15 + 273 = 288 [K], , η^isen]^C = 82% η^isen]^T = 70%

4

5 4 1

2

= =

p p p

p

Effektivitas Heat Exchanger, ε = 78%

4 ,

= 1



R = 0,287 [kJ/kg K],

Ditanya : Effisiensi thermal plant, ηth = ?

Proses 4 – 5 : Proses ekspansi isentropik (Adiabatik reversibel)

Effectifitas untuk Heat Exchanger,

Panas specifik yang disupply oleh pembakaran bahan bakar dalam ruang bakar,

( ) 4

^1,14,41

1 , 486

1

5 4 5

4

  = =

 



= 

⁻

−





P P T

T 587 , 5 [ ]

486 , 1

873 486

, 1

4

5

T K

T = = =

5 , 587 873

70 873 , 5 0

, 587 873

873

_{5' 5'}

5 4

' 5 4

−

= −

− →

= −

−

= − T T

T T

T T

Turbin



] [ 673 )

5 , 587 873

( 7 , 0

'

873

5

K

T = − − =

] / [ 9 , 200 )

673 873

( 0045 ,

1 )

( T

₄

T

_5'

kJ kg

C

W

_Turbine

=

_P

− = − =

459 673

78 459 ,

0

³

' 2 ' 5

' 2 3

−

= −

− →

= − T

T T

T

 T ] [ 626 459

) 459 673

( 78 ,

3

0 K

T = − + =

] / [ 1 , 248 )

626 873

( 0045 ,

1 )

(

_{4 3}

34

C T T kJ kg

q

q

_in

= =

_P

− = − =

117 , 1 0

, 248

2 ,

29 =

=

=

^net

cycle

q

 W