TUGAS PAPER TERMODINAMIKA INTERCOOLER PADA TURBIN GAS
KELOMPOK IV M. L. BINTANG LAZUARDI M. NOOR IQBAL YAFIE MIMI DAILAMI OSMAN MOHAMMAD SAFTARI
1006808550 1006808563 1006808645 1006808922
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2011
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya. Gas diperoleh dari pembakaran bahan bakar cair yang mudah terbakar. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama,yaitu : kompresor, ruang bakar, dan turbin yang disusun menjadi sistem yang kompak.
Turbin gas sudah ditemukan sejak zaman Heo of Alexanda oleh D.J.T Retallita. Desain pertama direncakan oleh Yohn bathe (Inggris) pada tahun 1791. Sistem ini bekerja dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu, dan minyak bakar. Kompresornya digerakkan dengan rantai dan roda gigi oleh turbinnya.
Pada tahun 1872 D. F Stolze merencakan sistem turbin gas mempergunakan kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin reaksi bertingkat ganda pula. Udara yang keluar dari kompresor dibakar di dalam ruang bakar, yaitu : sebuah alat yang dipergunakan untuk menaikkan temperatur udara sebelum masuk ke turbin. Jadi turbin ini bekerja dengan gas panas sebagai fluida kerjanya.
Pada tahun 1939 di Swiss sudah direncanakan 2000 power plant gas turbin yang menggerakkan generator dan kereta api pada federal air ways. Kemudian tahun 1941 di Amerika turbin gas juga dipergunakan untuk menggerakkan generator menghasilkan daya dari yang rendah sampai sekitar 100.000 KW. Sedangkan bahan bakarnya dapat dipergunakan bahan bakar gas.
Untuk dewasa ini turbin gas dipakai pada pesawat antariksa guna penelitian di ruang angkaa untuk kesejahteraan umat manusia di dunia.
Sistem turbin gas yang dipakai dalam berbagai tenaga antara lain : a.
Dengan daya turbin yang besar 1. Sebagai instalasi pembangkit tenaga listrik (PLTG) 2. Untuk menggerakkan pesawat udara 3. Sebagai main power plant. Untuk menggerakkan kapal – kapal yang berukuran besar 4. Sebagai penggerak lokomotif dengan sistem turbin gas
b.
Sedangkan dengan daya yang kecil, sistem turbin gas banyak dipergunakan
sebagai alat transportasi yang kecil seperti bus, truk, auto mobil, pesawat kecil, motor boat, dll
BAB II TURBIN GAS DAN MODIFIKASI TURBIN GAS Didalam Gas-turbine engine(turbin gas) energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.
2.1 Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine) Komponen utama turbin gas ada tiga. Kompresor berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan tinggi. Bilik pembakaran berfungsi sebagai area tempat pembakaran bahan
bakar dan menghasilkan udara bertekanan dan berkecepatan tinggi. Turbin berfungsi merubah udara yang bertekanan tinggi dari bilik pembakaran menjadi gerakan mekanis. Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Gambar 1. Air Flow
Ruang Pembakaran. Pembakaran merupakan kombinasi kimia dari tiga elemen yaitu udara bahan bakar dan api. Bahan bakar yang digunakan untuk turbin gas adalah hidrokarbon. Udara yang bertekanan tinggi dari kompresor memasuki ruang pembakaran, saat itu juga bahan bakar di semprotkan oleh fuel injector sehingga terjadi pembakaran yang menghasilkan udara yang bertekanan dan berkecepatan tinggi. Inilah yang dimanfaatkan oleh turbin untuk menghasilkan daya. Modifikasi dari turbin gas ada yang disebut dengan turbofan. Bentuknya hampir sama dengan turbin gas. Turbo fan memiliki kipas (fan) sebelum kompresor. Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut: 1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan 2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar. 3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle). 4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain: •
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.
•
Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.
•
Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
•
Adanya mechanical loss, dsb.
2.2 Klasifikasi Turbin Gas Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari: •
Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)
•
Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)
Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal. Perbandingan antara turbin gas siklus tertutup dengan siklus terbuka adalah sebagai berikut: No. 1 2 3 4
5
6 7 8
Turbin Gas Siklus Tertutup Udara tekan dipanaskan di ruang bakar. Karena gas dipanaskan oleh sumber eksternal, jumlah gas tetap sama. Gas dari turbin diteruskan ke ruang pendinginan Fluida kerja bersirkulasi secara kontinyu. Fluida jenis apa saja dengan sifat termodinamika yang baik bisa digunakan. Sudu turbin tidak cepat aus karena gas tidak terkontaminasi ketika melewati ruang bakar Karena udara didinginkan dengan sirkulasi air, cocok digunakan untuk jenis instalasi stasioner atau di kapal Biaya perawatan tinggi. Berat instalasi per daya (hp) lebih besar.
Turbin Gas Siklus Terbuka Udara tekan dipanaskan di ruang bakar. Produk pembakaran bercampur dengan udara panas. Gas dari turbin dibuang ke atmosfir. Fluida kerja diganti secara kontinyu. Hanya udara yang bisa digunakan sebagai fluida kerja Sudu turbin cepat aus, karena udara dari atmosfir terkontaminasi ketika melewati ruang bakar Karena udara dari turbin dibuang ke atmosfir, cocok digunakan untuk kendaraan yang bergerak. Biaya perawatan rendah. Berat instalasi per daya (hp) lebih kecil
2.3 Siklus-Siklus Turbin Gas Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu: 1. Siklus Ericson Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric). Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, dimana T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas. 2. Siklus Stirling Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson. 3. Siklus Brayton Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:
1. Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik). Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1). Proses 2 ke 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, ekspansi isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4). Proses 4 ke 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1) 2.4 Modifikasi Turbin Gas Dalam upaya untuk meningkatkan efisiensi dari turbin gas, modifikasi terkonsentrasi di tiga bidang: 1. Meningkatkan temperatur inlet turbin (pembakaran). 2. Meningkatkan efisiensi komponen-mesin turbo. 3. Menambahkan modifikasi pada siklus dasar (brayton) Efisiensi
siklus
turbin
gas
pada
awalnya
masih
sederhana,
namun
pada
perkembangannya, kini dapat hampir dua kali lipat efisiensi semula dengan memasang/ melakukan intercooling, regenerasi, dan pemanasan (reheating). Back work ratio siklus turbin gas meningkat sebagai hasil dari intercooling dan reheating. Tetapi efisiensi termalnya akan menurun. Intercooling dan reheating selalu akan menurunkan efisiensi termal kecuali mereka disertai oleh regenerasi. Hal ini karena intercooling menurunkan suhu rata-rata di mana panas yang ditambahkan, dan meningkatkan pemanasan suhu ratarata di mana panas ditolak. Oleh karena itu, dalam pembangkit listrik gas turbin, intercooling dan pemanasan selalu digunakan bersama dengan regenerasi.
2.5 Siklus Brayton dengan Intercooler, reheater, dan regenerator * Kombinasi dari reheat, dan intercooling dengan regenerasi menghasilkan peningkatan efisiensi thermal yang besar.
* Dengan jumlah reheater dan intercooler yang tak hingga, siklus ini akan memiliki efisiensi seperti Carnot karena proses perpindahan panasnya menjadi isothermal.
Diagram T-S Siklus Brayton dengan reheat regeneration dan intercooling
Modifikasi Siklus Brayton
BAB III INTERCOOLER Daya yang dihasilkan turbin sebagian besar digunakan oleh kompresor. Daya ini bisa diturunkan dengan mengkompresi udara secara dua tingkat dan menggunakan intercooler diantara kedua tingkat tersebut. Pengaturan secara skematik untuk intercooler diperlihatkan oleh gambar 1.
Gambar 1. Skema susunan intercooling pada turbin gas siklus tertutup.
Pertama-tama udara dikompresi di kompresor pertama, yang disebut “kompresor
tekanan rendah” (LP kompresor-#1). Karena kompresi ini, tekanan dan temperatur udara meningkat. Sekarang udara diteruskan ke intercooler (pendingin antara) yang akan menurunkan temperatur udara kompresi ke temperatur awal, tetapi tekanan tetap konstan. Setelah itu, udara kompresi sekali lagi dikompresi di kompresor kedua yang disebut sebagai “kompresor tekanan tinggi” (HP kompresor-#2). Sekarang udara kompresi diteruskan ke ruang pemanas dan kemudian ke turbin. Akhirnya udara didinginkan di ruang pendingin dan kembali di kompresi ke kompresor tekanan rendah. Proses intercooling udara pada dua tingkat kompresi diperlihatkan dengan diagram Ts pada gambar 2.
Gambar 2. Diagram T-s untuk intercooling.
Proses 1-2 menunjukkan pemanasan udara di ruang pemanas pada tekanan konstan. Proses 2-3 memperlihatkan ekspansi isentropik udara pada turbin. Proses 3-4 adalah pendinginan udara di ruang pendingin pada tekanan konstan. Proses 4-5 adalah kompresi udara di LP kompresor. Proses 5-6 adalah pendinginan udara pada intercooler pada tekanan konstan. Terakhir, proses 6-1 adalah kompresi udara pada HP kompresor. Kerja yang dilakukan turbin per kg udara: Wt = Cp (T2 – T3)
(i)
Dan kerja yang dilakukan kompresor per kg udara: Wc = Cp [(T1 – T6) + (T5 – T4)]
(ii)
Kerja netto yang tersedia: W = W t – Wc Untuk pendinginan yang sempurna, tekanan antara bisa dicari dengan persamaan: p6 = p5 = √ (p1 x p4)= √ (p2 x p3) Pada akhir proses kompresi pada kompresor, terjadi kenaikan temperatur dari fluida gas. Dari perumusan termodinamika didapat bahwa kenaikan temperatur sebanding dengan rasio tekanannya. Adapun persamaannya sebagai berikut :
Tb/Ti = (Pd/Pi)(n-1)/n Tb = Ti (Pd/Pi)(n-1)/n dimana Tb = temperatur akhir kompresi Ti = temperatur awal kompresi pd = tekanan akhir kompresi pi = tekanan hisap kompresi n = faktor politropie ( n=1 ~n = 1,4) dan persamaan kerja dari kompresor adalah Wkompresor = Ri Ts n/(n-1)[(Tb/Ti)-1] dan untuk kerja pada kondisi isotermal, persamaannya adalah Wkompresor = Ri Ts ln(Pb/Pi)
Dari perumusan temperatur dan kerja menunjukkan bahwa dengan kenaikan rasio tekanan akan menaikkan temperatur akhir dari kompresi, hal ini juga berarti kerja yang dibutuhkan kompresor naik. Kenaikan kerja kerja kompresor sangat tidak menguntungkan, karena kerja kompresor adalah negatif. Apabila kondisi ini diaplikasikan pada kompresor turbin gas pada rasio tekanan tinggi, maka akan banyak mengurangi daya dari turbin gas, hal ini akan menurunkan efisiensi secara keseluruhan. Untuk mengatasi hal tersebut di atas, proses kompresi dibuat bertingkat dan dengan pendinginan sela ( intercooler) pada setiap tingkat kompresi. Dengan metode ini akan menggunakan kompresor yang jumlahnya sama dengan jumlah tingkat kompresi, dan jumlah intercooler yang dipasang adalah jumlah kompresor dikurangi satu. Pada gambar 17.13 menunjukkan proses kerja dari turbin gas dengan penambahan regenerator dan pendingin sela (intercooler). Dengan pemasangan intercooler suhu dari proses kompresi tingkat sebelumnya didinginkan kembali ke temperatur awal. Dengan keadaan tersebut kerja kompresor yang kedua adalah sama dengan kerja kompreso sebelumnya, dengan rasio tekanan yang sama. Pada gambar 17.14 terlihat dengan membuat dua tingkat kompresi, dua kompresor, dan satu intercooler, ada penghematan kerja kompresor dibandingkan dengan kerja kompresor tunggal.
Figure 6: Intercoolers
Figure 7: Intercooler flow
. Kompressor Bertingkat dengan Intercooler beserta diagram P-V
Diagram T-S Siklus Brayton dengan Intercooling
BAB IV PEMBAHASAN Sebuah pembangkit turbin gas terdiri dari kompresor dua tingkat dengan pendinginan antara sempurna dan sebuah turbin satu tingkat. Jika pembangkit bekerja antara batas temperatur 3000 K dan 10000K dan tekanan 1 kg/cm2 dan 16 kg/cm2, carilah daya netto pembangkit per kg udara. Ambil harga kalor spesifik pada tekanan konstan sebesar 0,24. Jawab Diketahui: T4 = 3000 K T2 = 10000 K p3 = p4 = 1 kg/cm2 p1 = p2 = 16 kg/cm2
Cp = 0,24 Pada pendinginan sempurna, tekanan antara: p6 = p5 = Ö (p1 x p4)= Ö (16 x 1) = 4 kg/cm2 T3/T2 = (P3/P2)(Y-1)/Y T3/1000 = (1/16)(1,4-1)/1,4=0,453 T3 = 1000 X 0,453 = 4530 K T4/T5 = (P4/P5)(Y-1)/Y 300/ T5 = (1/4)(1,4-1)/1,4=0,673 T5 = 4460 K Pada pendinginan sempurna : T1 = T5 = 4460 K sehingga: T6/T1 = (P6/P1)(Y-1)/Y T6/446 = (4/16)(1,4-1)/1,4=0,673 T5 = 446 X 0,673 = 3000 K Kerja yang dilakukan turbin per kg udara: Wt = Cp (T2 – T3) = 0,24 (1000 – 453) = 131,3 kcal/sec Dan kerja yang diserap oleh kompresor per kg udara: Wc = Cp [(T1 – T6) + (T5 – T4)] = 0,24 [(446 – 300) + (446 - 300)] = 70,1 kcal/sec Kerja netto yang dilakukan pembangkit per kg udara: W = 131,3 – 70,1 = 61,2 kcal/s = 61,2 X 427 = 26.130 kg.m/s =26.130/75 =348,4 hp
BAB V KESIMPULAN * Kompresi bertingkat dengan intercooling akan meningkatkan efisiensi dari proses kompresi * Siklus Brayton dengan intercooling menggunakan dua tingkat kompresor atau lebih dengan satu intercooler atau lebih, maka daya yang dibutuhkan untuk mengkompresi akan berkurang tetapi QH juga akan meningkat. * Memasang intercooler saja di antara kompresor tidak dibenarkan, karena efisiensi termalnya tidak akan meningkat
Daftar pustaka Cengel, Yunus A. “Thermodynamic An Engineering Approach.” McGraw Hill Book Company 1985. http://www.learnthermo.com http://www.bently.com http://www.gepower.com http://www.pal.co.id http://www.turbomachinerymag.com http://www.braytonenergy.net/gas-turbines/
http://www.aeroplanemonthly.com/glossary http://www.history-science-technology.com/Notes/Notes1.htm.
