BUKU AJAR
JUDUL MESIN KONVERSI ENERGI
BASYIRUN, S.Pd.,MT DRS. WINARNO DR, M.PD. KARNOWO.ST.,MT
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG PKUPT UNNES/PUSAT PENJAMIN MUTU TAHUN 2008
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
2
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 halhal 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 batasbatas 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
3
termodinamika yaitu perubahan keadaan pada temperatur penggambarannya pada grafik p-v dan p-t adalah sebagai berikut p
p
isotermis T1 =T2
(
isotermis),
keadaan 2 p2, T2
keadaan 2 p2, V2
`
tetap
isotermis T1 =T2
keadaan 1 p1, V1
keadaan 1 p1, T1
vc V
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 Kapasitas , Kapasitas jenis = massa 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
4
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
5
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 mekanik
energi panas proses perubahan energi
Gambar 1.4 Perubahan energi pada motor bakar
6
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 mekanik putaran poros
Energi fluida masuk
generator
A turbin air, uap, gas poros fluida keluar energi fluida
energi mekanik poros
Energi listrik
Energi mekanik putaran poros
energi listrik
Energi fluida tekanan tinggi
B motor listrik pompa atau kompresor
poros fluida masuk
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
7
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)
8
gaya F pergeseran S = 2 π r.nrev
`
R
gaya F W = (2 π .nrev.)xT
nrev = jumlah putaran
Torsi ( T ) = F x R
Gambar 1.9 Energi mekanik pergeseran rotasi ( angular) T=FxR W = FxS dengan S =2 π r.nrev dan F =
T , maka r
T 2 π r.nrev = (2 π .nrev.)xT ( KERJA MEKANIK POROS) r dimana nrev = adalah jumlah putaran
W=
kerja poros kerja poros
pompa propeler
pompa sentrifugal
Turbin air kerja poros
kerja poros mobil
Ganbar 1.10 Mesin-mesin konversi energi dengan kerja poros
9
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 EP2 EK2 ED2 EA2
EP1 EK1 ED1 EA1
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 1 + m
V12 V2 + [U 1 + p1V1 ] + ∆Q = mgZ 2 + m 2 + [U 2 + p 2V2 ] + ∆W 2 2
dengan [ pV + U] = H dapat dituliskan kembali menjadi
mgZ1 + m
V12 V2 + H1 + ∆Q = mgZ 2 + m 2 + H 2 + ∆W 2 2
E masuk = mgZ1 + m E kelua = mgZ 2 + m
10
V12 + H 1 + ∆Q 2
V22 + H 2 + ∆W 2
Jadi Hukum termo pertama dapat diutuliskan secara sederhana dengan persamaan berikut (untuk sistem terbuka)
E masuk = E keluar
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
11
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.
12
A
b. bakar+ udara
TMA
1
penyalaan
gas buang
TMA
campuran bb+udara
3 2
4 TMB
TMB isap
kompresi
tenaga
buang
MESIN OTTO A
udara
injeksi fuel + pembakaran
gas buang
udara
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
13
TMA lubang buang
1 fuel dan udara 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 Katup masuk Sproket batang nok
Katup buang torak Batang torak
Timing belt
Timing belt tensor
Crankshaft
Pompa oli Sproket Penampung poros engkol oli
Gambar 2.11 Komponen utama pembangkit energi mesin multi silinder
14
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 bahanbakar 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
15
TMA
udara
TMB
udara
udara udara
Isentropik kompresi
p =konstan penambahan panas
Isentropik ekspansi
Gambar 3.1 Siklus udara volume konstan
16
p =konstan pembuangan panas
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.
17
MESIN OTTO
Gambar 3.3 Mesin otto dan mesin disel A.3. Siklus udara gabungan
injeksi fuel
udara
I
gas buang
udara
Qin udara
Qin
Qout
TMA TMB
pemasukan Q volume konstan
pemasukan Q tekanan konstan
Gambar 3.4 Siklus gabungan
18
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
langkah kompresi
langkah tenaga
langkah buang
Campuran udara + bahan bakar
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.
19
pembakaran injeksi fuel
tenaga
kompresi katup buang tertutup
katup buang terbuka
buang katup masuk tertutup
hisap
Gas buang
udara
plug
fuel udara pemabakara n
udara
langkah kompresi
langkah buang
langkah tenaga
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
η=
Wberguna Qmasuk
=
Qmasuk − Qkeluar Qmasuk
Qkeluar
Gambar 3.7 Bagan efisiensi kerja dari motor bakar
20
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 (T3 − T2 ) 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 (T4 − T1 ) 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 kerja berguna = Qm kalor masuk
η=
Qm − Ql mcv (T3 − T2 ) − mcv (T4 − T1 ) = mcv (T3 − T2 ) Qm
η=
(T4 − T1 ) 1 − T1 = (T3 − T2 ) T2
Apabila rasio kompresi didefinisikan sebagi perbandingan anata volume silinder dibagi dengan volume ruang bakarnya yaitu
r=
V + Vs volume silinder = l volume ruang bakar Vs
maka rumusan efesiensi diatas bisa dituliskan sebagai η = 1 −
1
(r )k −1
B. Efisiensi siklus tekanan konstan Dengan definisi yang sama untuk raso kompresi, efisiensi dari siklus tekanan konstan adalah sebagai berikut
21
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
22
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
23
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 b
Stator
gaya F
Rotor 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
24
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 komponenkomponen 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 g + N a ) ( HP)
dengan Ne Ni Ng Na
= adalah daya efektif atau daya poros ( HP) = adalah daya indikator ( HP) = adalah kerugian daya gesek ( HP) = 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. 2. 3. 4.
Efisiensi termal Efisiensi termal indikator Efisiensi termal efektif 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 :
25
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
ηi =
Energi berguna daya indikator = Energi masuk laju energi kalor masuk per kg
ηi =
Ni •
Qm
Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi akor adalah sebagai berikut •
•
ηi =
Q m = G f xQc
Ni
ηi =
•
Qm
ηi =
Ni •
G f xQc
Prata − rata ,i xVd xnxaxz •
G f xQc dengan N i
= Daya indikator (watt)
•
Qm
= laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam)
•
= laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam)
Gf Qc
= 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
ηe = ηe =
N daya poros = •e laju energi kalor masuk per kg Q m Ne •
;
G f xQc
ηi =
Prata − rata ,e xVd xnxaxz •
G f xQc
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.
ηm =
26
Ne Ni
Ne
Apabila η e =
dan η i =
•
Qm
Ni •
Qm
maka dua persamaan tersebut disubsitusikan pada η m =
Ne Ni
ηe jadi jelas bahwa daya poros yang dihasilkan dari daya indikator harus ηi η e = η m xη i dikalikan dengan efisiensi mekaniknya. menjadi η m =
E. Efisiensi volumetrik 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
ηv =
Ga o
=
Gai o
ηv =
Ga o
jumlah udara masuk kedalam silinder aktual(kg/jam ) jumlah udara masuk kedalam silinder ideal(kg/jam) o
=
Gai
γa o
γ ai
dengan γ = massa jenis udara (kg/m3)
Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:
Perata − rata = η e .η v . f .Qc .γ ai .0,0427 kg/cm2 dengan f = perbandingan bahan bakar udara o
f =
Gf 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
SFC e =
Gf
ηe =
Ne
Ne
•
G f xQc
η e xQc =
Ne •
Gf
o
Gf 1 = = SFC η e xQc N e
27
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
HISAP
I KOMPRESI
PEMBAKARAN
PEMBAKARAN
BUANG
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.
28
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
29
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
poros saluran bahan bakar
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.
30
bahan bakar
ruang bakar udara pendingin ruang bakar poros turbin
Motor starter
transmisi sudu turbin
sudu kompresor udara segar (baru), 0 1bar 15 C
poros turbin
kompresor
ruang bakar
gas bekas 1 0 bar,380 C
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 nosel bahan bakar
swirel udara
zona sekunder zona pencampuran
aliran udara primer
udara mampat kompresor
gas pembakaran ke turbin
aliran udara sekunder dan pendingin
Gambar 5.7 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas
31
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
Wkinetik ,1 =
m1 xV 2 2
dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi
Wkinetik , 2 =
(m1 + m2 )xV 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.
32
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]:
T K
p atm
p2 = konstan
2
[B]
p2 = konstan 3
3 [C]
p1 = konstan
[B] [C] [A]
4 2
p1 = konstan 1
4
[D]
[D]
[A] 1
v m3
diagram p-v
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 2-3 3-4 4-1
Proses kompresi adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik [A] Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan, dihasilkan panas pada ruang bakar [B] Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C] 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
33
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)
T2 udara mampat
ruang bakar (pembakaran) gas pembakaran
2
T3 kompresor
1
T1 udara segar
3 kerja
turbin
4
T4 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
34
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 pipapipa 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
udara panas tekanan tinggi
penukar kalor 3 kompresor
1 udara segar masuk
kerja
turbin
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
35
ruang bakar atau reaktor SUMBER ENERGI
fluida primer bertemperatur rendah
udara mampat (fluida sekunder)
fluida primer bertemperatur tinggi transfer panas
menerima panas
2
udara panas tekanan tinggi
penukar kalor 3 kompresor
kerja
turbin
1
4 udara panas tekanan rendah keluar
udara segar masuk
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
helium panas tekanan tinggi
2 penukar kalor 3
kompresor
1
4
helium dingin transfer panas
2 air pendingian masuk
kerja
turbin turbin
helium panas tekanan rendah keluar
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
36
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 ;
q masuk = mc p (T3−T2 ) Pengeluaran panas juga pada tekanan konstan ;
q keluar = 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 ;
η=
Wberguna q masuk
=
q masuk − q keluar , q masuk
bisa ditulis dalam bentuk ;
T η = 1 − 1 , atau T2
⎛p ⎞ η = 1 − ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ p2 ⎠
γ −1 γ
dimana cp = kapasitas jenis pada tekanan konstan
γ =
cp c
v Dapat dilihat dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas,
kompresor yang digunakan harus memiliki perbandingan tekanan
p2 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.
37
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. Generator listrik gaya dorong
Wturbin Dengan alasan itu, banyak faktor yang back work (kerja harus diperhatikan terutama untuk balik) mengoptimalkan kerja kompresor. Sebagai contoh, suhu masuk kompresor T1 tidak terlalu tinggi, dengan alasan pada suhu yang tinggi Wkompresor kerja kompresor bekerja lebih berat. Dengan kerja kompreGambar 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.
38
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
wturbin, keluar
qmasuk
qkeluar wpompa masuk Gambar 8.2 Siklus Rankine
q, masuk
\
Boiler
wturbin, keluar Turbin
wpompa, masuk Pompa
q, keluar Kondensor
Gambar 8.3 Bagan siklus Rankin
39
Proses termodinamika dari siklus Rankine tersebut adalah sebagai berikut [gambar 8.2 dan 8.3] ; 1-2 2-3 3-4 4-1
Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pomp Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin 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
40
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.
41
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 bejana air ( tempat penguapan) dapur atau furnace tempat proses pembakaran ( sumber panas)
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
42
B
A
Vb fluida gas
Vs
Vb
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 • •
W optimum ( plat ) =
mV
2
s
4
sedangkan pada ganbar B adalah sebuah sudu yang ditumbuk fluida gas dengan laju •
masa m , maka daya yang dihasilkan adalah • •
W optimum
( sudu ) = mV
2
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
43
turbin impuls pembangkit uap bejana air ( tempat penguapan)
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 aksi
gaya reaksi
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
44
9.3. Segitiga Kecepatan Vb
gas panas energi tinggi
langkah ekspansi motor bakar ekspansi nosel
VS1
VS1
Vr1
Vr1
θ
φ
φ VB Vr2 VB
δ
VB
VS2
VB
γ Vr2
θ
γ
δ 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 VB Vr1 Vr2 Vs2 =θ =φ =δ =γ
= Kecepatan absolut fluida meninggalkan nosel = Kecepatan sudu = kecepatan relatif fluida = Kecepatan relatif fluida meninggalkan sudu = Kecepatan absolut fluida meninggalkan sudu sudut nosel sudut masuk sudu sudut keluar sudu 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.
45
gas panas (uap panas ) tekanan tinggi, kecepatan rendah
gas panas tekanan rendah, kecepatan tinggi
proses ekspansi
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
46
VS1 Vr1 VB
komponen aksi
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
φ
sudut masuk 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
47
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
kecepatan absolut
tekanan
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
48
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 tetap
sudu-sudu gerak
sudu-sudu gerak
tekanan
nosel konvergen divergen
kecepatan absolut
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 Vs21 − Vs22 − Vr21 − Vr22
)] 49
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
50
tekanan
Gambar 9.15 Segitiga kecepatan turbin uap Rateau
kecepatan absolut
Vs1
Vs3
Vs1
Vs4 Vs2 Gambar 9.16 Susunan turbin uap Rateau
51
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.
52
Gambar 9.18 Susunan turbin uap Rateau Daya yang dihasilkan turbin rekasi dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut •
•
[(
) (
W = m Vs21 − Vs22 − Vr21 − Vr22
)]
dan daya optimum tercapai pada kecepatan sudu optimum yaitu •
•
W = m Vb2 optimum
53
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 turbin yaitu
54
160000 KW = 0,888. 180000 KW
bucket-bucket roda peyeimbang bantalan poros
kontruksi penyangga
pengatur nosel nosel
Gambar 10.6 Turbin Fourneyron
turbin francis A
rotor
sudu pengarah Sudu jalan sudu jalan atau runner
poros turbin
turbin pelton B
nosel bucket-bucket
turbin kaplan C
pengatur sudu
sudu pengarah sudu jalan atau baling baling
55
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 )
Dam Dam
tandon air waduk
bendungan turbin turbin arus sungai
head rendah
head sedang
penstok
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. 2. 3. 4. 5. 6.
Large-hydro; daya keluaran sampai 100 MW Medium-hydro; daya keluaran mulai 15 - 100 MW Small-hydro;daya keluaran mulai 1 - 15 MW Mini-hydro daya keluaran mulai 100 kW- 1 MW Micro-hydro ;daya keluaran sampai dari 5kW - 100 kW 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
56
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
n sungai
Gambar 10.9 Instalasi turbin air
turbin
dum atau bendungan
penstok
pipa isap
rumah turbin
saluran buang
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
10.3. Energi Potensial Aliran Air
muka air energi listrik aliran listrik
dam atau bendungan energi potensial
turbin
energi kinetik
energi mekanik
penstok
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
ρ
+m
c2 (Nm) 2
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 ;
58
H = z+
p c2 + = konstan ρ ⋅ g 2g
dimana H = tinggi jatuh air atau head total (m) z = tinggi tempat atau head potensial (m)
p = tinggi tekan atau head tekan (m) ρ⋅g c2 = tinggi kecepatan atau head kecepatan (m) 2g 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 ;
z1 +
p1 c2 p c2 + 1 = z2 + 2 + 2 ρ ⋅ g 2g ρ ⋅ g 2g
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
impuls atau aksi
F reaksi c1
c1
c2
c2 Gambar 10.11 Prinsip impuls dan reaksi
59
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.
runner turbin francis roda jalan pelton c1
c1 c2
c2
buket 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 Q g H
= daya turbin air (kW) = kapasitas atau debit air (m3/dtk) = percepatan gravitasi (kg/m2) = tinggi jatuh air (m) η T = efisiensi turbin massa aliran bisa dihitung dengan persamaan ; •
•
m = Q ⋅ ρ dimana m = adalah laju aliran masa ( kg/dtk)
60
perhitungan daya persamaan diatas bisa diubah menjadi •
P = m⋅ g ⋅ H ⋅ η T atau •
P = m⋅ Y ⋅ η T 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
H3
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.
61
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;
p1 c12 p2 c 22 z1 + + = ηt ⋅ H + z2 + + ρ ⋅ g 2g ρ ⋅ g 2g
η t ⋅ H = z1 − z 2 +
p1 − p 2 c12 − c 22 + ρ⋅g 2g
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,
62
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.
nq =
nqT 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
63
dam
roda pelton buket
beda tinggi atau head air
generator
nosel
air keluar
Gambar 11.4 Instalasi Turbin Pelton poros horizontal listrik tegangan tinggi
air waduk bendungan atau dam
trafo step up
penstok generator
head air
katup pengatur
roda pelton
pembuangan
Gambar 11.5 Instalasi turbin pelton poros vertikal
64
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
65
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
66
Gambar 11.10 Instalasi turbin francis B. Turbin Kaplan 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 13.8
Gambar 11.11 Turbin kaplan dengan sudu jalan yang bisa diatur
67
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
68
