Rancangan Sistem Brayton 2

TUGAS TEKNIK KONVERSI DAN KONSERVASI ENERGI

Rancangan Sistem Turbin Gas Berbahan Bakar Low Sulfur Diesel

DISUSUN OLEH :

WISNU ROZAAQ (24 10 100 103)

SYAMSUL HADI (24 10 100 105)

WISNU YUDHA N (24 10 100 107)

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2013

A. Siklus Brayton

Sesuai dengan teori, bahwa turbin gas mengikuti siklus Brayton. Pada siklus yang sederhana, proses pembakaran atau proses pembuangan gas bekas terjadi pada tekanan konstan sedangkan proses kompresi dan expansi terjadi secara kontinyu. Gambar di bawah ini menunjukkan proses secara sistematis dan berlangsung kontinyu.

Siklus Brayton Terbuka

Pada siklus terbuka fluida kerja adalah udara atmosfer. Udara yang masuk ke kompressor pada titik 1, di kompressi pada titik 2 kemudian masuk ke dalam ruang bakar dan menerima kalor pada tekanan ideal dan keluar dalam keadaan panas pada titik 3, kemudian gas berekspansi melalui turbin pada titik 4 dan pelepasan gas panas hasil pembakaran dilakukan di atmosfer.

Gambar . Siklus terbuka

Udara luar dihisap masuk kompresor dan dimampatkan hingga tekanan dan temperaturnya naik. Dalam ruang bakar terjadi proses pencampuran bahan bakar dengan udara yang bertemperatur dan bertekanan tinggi yang berasal dari kompresor dan terjadi proses pembakaran. Gas hasil pembakaran diekspansikan untuk memutar turbin dan kemudian dikeluarkan ke udara atau di manfaatkan kembali untuk memanaskan ketel pada combine cycle.

Gambar . Siklus Ideal Brayton

Turbin gas bekerja berdasarkan siklus brayton, dimana terdapat hubungan antara P – V dan T – S. Skema instalasi dari turbin gas tersebut dapat digambarkan dengan siklus brayton ideal.

Siklus ideal dari sistem turbin gas sederhana dengan siklus terbuka menggunakan ruang bakar, sedangkan sistem turbin gas sederhana dengan siklus tertutup menggunakan alat penukar kalor.

Gambar . Diagram P – V dan H – S pada Siklus Brayton Udara Standar

Proses yang terjadi pada siklus tersebut adalah :

1 – 2 : Proses kompresi isentropik di dalam kompresor.

2 – 3 : Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan di dalam ruang bakar.

3 – 4 : Proses ekspansi adiabatis pada turbin.

4 – 1 : Proses pelepasan kalor pada tekanan 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.

Karena udara mengalir melalui penukar panas pada siklus ideal saat tekanan konstan, maka berlaku

P4 / P3 = P1 / P2

Hubungan antara perbandingan tekanan dan perbandingan temperatur dalam kompresi atau ekspansi isentropik, sebagai berikut.

rp = P2 / P1 = (T2 / T1)k/(k-1)

Kita tinjau kembali skema closed cycle gas turbine engine. Dari sana, dapat kita peroleh efisiensi termal dari siklus, sebagai berikut.

η = (Wturbin / m – Wcompressor / m) / (Qin / m) = {(h3 – h4) – (h2 – h1)} / (h3 – h2)

dengan

(h3 – h4) = cp (T3 – T4)

(h2 – h1) = cp (T2 – T1)

(h3 – h2) = cp (T3 – T2)

η = {cp (T3 – T4) – cp (T2 – T1)} / {cp (T3 – T2)}

η = 1 – (T4 – T1)/(T3 – T2)

η = 1 – T1/ T2 * {(T4/T1 – 1)/(T3/T2 – 1)

Karena T4/T1 = T3/T2, maka

η = 1 – T1/ T2

lalu T1/ T2 = (P1 / P2)(k-1)/k

η = 1 – (P1 / P2)(k-1)/k = 1 – 1/(P2 / P1)(k-1)/k

sedang kita ketahui bahwa P2 / P1 = rp maka “efisiensi teoritis siklus Brayton”…

η = 1 – 1 / rp(k-1)/k

dengan k = cp / cv = konstan.

Usaha netto satu siklus dideskripsikan awal sebagai berikut

Wcycle = (h3 – h4) – (h2 – h1)

Wcycle = cp {(T3 – T4) – (T2 – T1)}

Wcycle = cp T1 (T3/T1 – T4/T3 * T3/T1 – T2/T1 + 1)

Dari persamaan sebelumnya kita ketahui bahwa

T4/T3 = (P1 / P2)(k-1)/k

T2/T1 = (P2 / P1)(k-1)/k

rp = P2 / P1 = (T2 / T1)k/(k-1)

Sehingga persamaan daya efektif siklus menjadi

Wcycle = cp T1 (T3/T1 – 1/(rp)(k-1)/k * T3/T1 – (rp)(k-1)/k + 1)

Wcycle / cp T1 = T3/T1 (1 – 1/(rp)(k-1)/k) – (rp(k-1)/k – 1)

B. Low Sulfur Diesel

Bahan bakar solar ( fuel diesel ) adalah bahan bakar minyak hasil sulingan dari minyak bumi mentah, bahan bakar ini berwarna kuning coklat yang jernih . Penggunaan solar pada umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin Diesel dengan putaran tinggi (diatas 1000 rpm), yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih. Minyak solar ini biasa disebut juga Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel.

Bahan bakar solar mempuyai sifat – sifat utama, yaitu :

a. Tidak mempunyai warna atau hanya sedikit kekuningan dan berbau 

b.Encer dan tidak mudah menguap pada suhu normal

c.Mempunyai titik nyala yang tinggi (40°C sampai 100°C)

d.Terbakar secara spontan pada suhu 350°C

e.Mempunyai berat jenis sekitar 0.82 – 0.86

f.Mampu menimbulkan panas yang besar (10.500 kcal/kg)

g.Mempunyai kandungan sulfur yang lebih besar daripada bensin

C. Rancangan Siklus Brayton Ideal

Pada rancangan siklus diesel yang dilakukan diasumsikan beberapa hala sebagai berikut.

- Siklus Brayton ideal- Bahan bakar yang digunakan Low Sulfur Diesel dengan LHV = 42612 KJ/KG- Daya keluaran yang diharapkan sebesar 5 MW- Rancangan turbin memiliki suhu min = 305 K suhu max = 1280 K- Rasio kompresi divariasikan dari 5-20

Berdasarkan asumsi di atas, didapatkan nilai h1 = 305.22 kj/kg dan h3 = 1372.24 kj/kg. kemudian bedasarkan nilai properties dari udara (Moran dan Shapiro, 2004 terjemahan), dihitung nilai efiensi termal, massa bahan bakar yang dibutuhkan, dan kemudian diplot grafik perubahan efiensi dan massa bahan bakar terhadap perubahan rasio kompresi menggunakan Microsoft Excel.

Data Perhitungan Siklus

Hasil perhitungan siklus yang telah dilakukan dapat dilihat pada table di bawah ini.

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan dapat dilihat pada grafik menunjukkan bahwa kenaikan rasio kompresi menaikkan efisiensi termal dari siklus turbin dan menurunkan aliran massa bahan bakar yang dibutuhkan. Hal ini disebabkan tingginya tekanan udara yang keluar dari kompresor hanya membutuhkan sedikit kalor untuk menaikkan suhu udara sehingga massa bahan bakar yang dibutuhkan semakin kecil, namun efisiensi tetap meningkat. Konsekuensi dari tingginya rasio kompresi adalah semakin tingginya kerja dari compressor sehingga dibutuhkan daya yang lebih besar untuk compressor. Tingginya rasio kompresi juga mengakibatkan dibuthkannya spesifikasi turbin yang tinggi yang mampu menahan tekanan yang tinggi.

Rekomendasi

Berdasarkan perhitungan dan analisa yang telah dilakukan direkomendasikan.

- Pressure Ratio = 10 – 14- Efisiemsi Termal = 45,94% - 50,66%- ṁBB = 0,232 kg/s - 0,255 kg/s

rekomendasi ini berdasarkan efisiensi turbin gas pada umumnya 42%, sehingga dengan rentang efisiensi termal antara 45,94% - 50,66% sudah termasuk cukup baik. Selain itu rasio kompresi yang dibutuhkan juga tidak terlalu membebankan compressor yaitu antara 10-14, dan bahan bakar yang dibutuhkan juga cukup rendah sehingga dapat menghemat penggunaan bahan bakar.

Referensi

- Moran, Shapiro.2004.Termodinamika Teknik Terjemahan.Jakarta : Erlangga.- Lower and Higher Heating Values of Gas, Liquid and Solid Fuels. Biomass

Energy Data Book.2011. http://cta.ornl.gov/bedb