RUANG BAKAR Ruang bakar merupakan tempat dimana diharapkan terjadi proses pembakaran sem sempurn purna, a, yaitu aitu reak reaksi si ekso eksote term rmik ik anta antara ra baha bahan n baka bakarr dan dan oksi oksida dato torr untu untuk k menghasilkan gas pembakaran pada temperatur dan tekanan tertentu. Pada ruang bakar turbin gas dapat terdiri dari beberapa komponen yang dapat mendukung terjadinya terjadinya proses pembakaran. Adapun tipe tipe ruang bakar yang dipilih dalam perencanaan ini adalah tipe multican (TUBULAR.
!ambar Penampang Ruang Bakar Tubular Tubular
"eterangan# $. %park %park plug plug (ignit (ignition ion &. Tabun Tabung g api (liner (liner '. %elu %elubu bung ng (ca (casin sing g . Tran Transi siti tion on piec piecee ). *o+e *o+ell tur turbi bin n . %-ir %-irle lerr (pus (pusar aran an . *o+e *o+ell bah bahan an baka bakar r /. Tabung Tabung api silang silang (cross 0ire tube tube 1. Luba Lubang ng di0u di0usi si..
1. Selubung Selubung (Casing) (Casing) Ruang Ruang Bakar Bakar a. Luas Penampan Penampang g Selubun Selubung g (Aref )
Untuk Untuk luas luas optima optimall luas luas penamp penampang ang dari dari ruang ruang bakar bakar seperti seperti yang tampak tampak pada pada gambar diba-ah, dapat ditentukan dengan perhitungan kehilangan tekanan dan beban pembakaran. 2i ba-ah ini ditunjukkan sebuah persamaan untuk kondisi hilangnya tekanan.
"eterangan# $. %park %park plug plug (ignit (ignition ion &. Tabun Tabung g api (liner (liner '. %elu %elubu bung ng (ca (casin sing g . Tran Transi siti tion on piec piecee ). *o+e *o+ell tur turbi bin n . %-ir %-irle lerr (pus (pusar aran an . *o+e *o+ell bah bahan an baka bakar r /. Tabung Tabung api silang silang (cross 0ire tube tube 1. Luba Lubang ng di0u di0usi si..
1. Selubung Selubung (Casing) (Casing) Ruang Ruang Bakar Bakar a. Luas Penampan Penampang g Selubun Selubung g (Aref )
Untuk Untuk luas luas optima optimall luas luas penamp penampang ang dari dari ruang ruang bakar bakar seperti seperti yang tampak tampak pada pada gambar diba-ah, dapat ditentukan dengan perhitungan kehilangan tekanan dan beban pembakaran. 2i ba-ah ini ditunjukkan sebuah persamaan untuk kondisi hilangnya tekanan.
2imana# R
3 !as konstan (&/ *m4kg."
5re0
3 Tekanan dinamik (Pa &
Are0 3 Luas penampang selubung (m mu RB 3 Laju aliran massa udara per ruang bakar (kg4s P6&a 3 Tekanan Tekanan udara kondisi titik 6&a (Pa T6&a 3 Temperatur Temperatur pada kondisi titik 6&a ("
!ambar Penampang selubung (7asing ruang bakar. Untuk mengetahui kondisi kehilangan tekanan pada jenis ruang bakar tubular, dapat dilihat pada lampiran &. 8aka A re0 dapat dicari dengan terlebih dahulu mencari# Laju aliran massa udara tiap ruang baker 8u RB
3 M u JumlahRB
dimana mu adalah laju aliran massa udara total dikurangi dengan laju aliran massa udara untuk pendinginan,
yaitu
$)9
dari
total
laju
aliran
massa
udara
dari
hasil
;;;;;;;;;;;;;;;...
3 $)9 . mu 3 $)9 . 11, kg4s 3 $,1$ kg4s
%ehingga diperoleh# mu RB 3 (mu > mudara pendinginan kg4s 3 (11, . $,1$ kg4s 3 /,1 kg4s 8aka laju aliran massa udara menuju tiap:tiap ruang bakar yang berjumlah $6 adalah# 8u RB
3 /,1 kg4s # $6 3 /,1 kg4s
Berdasarkan kondisi yang telah dicari pada bab ' diperoleh# h6&a
3 ,&/ k?4kg
dengan cara interpolasi dari lampiran $ diperoleh# T 6&a 3 )),/ " P6&a ∆ P O &a−'a
qref ∆ P O &a − &a
P O &a
3 $&,'// bar
3 ' (lihat lampiran & 3 6,6 (untuk jenis tubular
kompresi:
maka diperoleh#
b. Diameer Selubung Ruang Bakar (Dref )
Besarnya diameter selubung ruang bakar seperti yang terlihat pada gambar diatas dapat dicari dengan persamaan #
!. "abung Api Ruang Bakar (Liner) a. Luas Penampang "abung Api (AL)
Luas penampang tabung api ruang bakar seperti yang ditunjukkan pada gambar diba-ah dapat dicari dengan menggunakan rumus# AL
3 k opt . Are0 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;
2imana# AL
&
3 Luas penampang tabung api (Liner
&
Are0
3 Luas penampang selubung (7asing ruang bakar
k opt
3 Rasio antara luas penampang tabung api (Liner dengan luas
penampang selubung (7asing.
!ambar Penampang tabung api (Liner
!ambar Ruang Bakar Radial nilai k opt dapat dicari dengan cara#
dimana# msm
3 Rasio antara laju aliran udara memasuki moncong dengan total laju aliran udara di ruang bakar
λ
3 "oe0isien tekanan yang hilang
r
3 radius, rasio antara luas selubung dengan luas aliran masuk ruang bakar 3 Re0erensi tekanan dinamik (lihat lampiran & untuk jenis tubular
untuk parameter diatas ditentukan, msn 3 6,$&, λ 3 6,), r 3 , (lit. 1 hal $$& dan
3 ' (lihat lampiran &
maka diperoleh#
?adi luas penampang tabung api (Liner adalah# AL
3 k opt . Are0 &
3 6,) . 6,6/$ (m 3 6,6' m
&
b. Diameer "abung Api
2iameter tabung api adalah#
#. Pan$ang "abung Api Ruang Bakar (LL)
Panjang tabung api dapat dihitung dengan rumus#
2imana# 2L
3 2iameter tabung api (Liner
LL
3 Panjang tabung api (Liner
Ao
3 6,6 untuk jenis tubular ; ; ; ; ; ; ;; ;
∆ PL
3 ' untuk jenis tubular (lihat lampiran &
qref P@
3 Pattern @actor
Untuk P@ dapat dicari dengan jalan#
2imana# Untuk temperatur maksimum yang terjadi pada ruang bakar berdasarakan
%ehingga diperoleh panjang tabung api (Liner
%. "ebal Din%ing "abung Api (Liner)
Untuk menentukan tebal dari tabung api perlu ditentukan terlebih dahulu gaya yang bekerja pada transition piece, yaitu bagian yang mengarahkan gas keluaran hasil pembakaran menuju seksi turbin yang juga bertindak sebagai no+el turbin. !aya yang bekerja pada transition piece (@e dapat dicari dengan persamaan#
2engan diketahui gaya yang bekerja, maka ketebalan dinding dari ruang bakar dapat dicari dengan persamaan# P3
F
*4m
&
A 2imana# &
P adalah tekanan4tegangan (*4m @ adalah gaya yang bekerja dari gas hasil pembakaran yang diperoleh dari data diatas sebesar $.)',&1 *. &
A adalah luas dari liner luar dikurangi luas liner dalam (m 2iketahui material yang dipakai pada tabung api (liner adalah %tainless %teels Tipe A% '$6, sama dengan material yang digunakan untuk bagian yang mengarahkan gas hasil pembakaran (transition piece. Berdasarkan data yang diperoleh pada lampiran , diperoleh tegangan regangan yang diijinkan untuk material diatas adalah )) 8Pa.
8aka#
8aka tebal dari tabung api (liner adalah (2L,6 > 2L4& 3 (6,&&):6,&$4& 3 6,66)) m 3 ),) mm &. 'na Daera Pembakaran a. Primar* 'ne
Pada daerah ini sekitar &/9 dari total udara hasil kompresi disuplaikan ke sekeliling aliran bahan bakar untuk proses pembakaran
b. Se#n%ar* 'ne
8erupakan +ona dimana sekitar &&9 udara untuk membantu pembakaran, dengan tujuan supaya proses pembakaran bisa berlangsung dengan sempurna. Laju aliran massa udara pada daerah secondary +one (m u%+ dapat dihitung dengan cara# mu%+
3 (9P+ C 9%+ . mu 3 (&/9 C &&9 . /,1 kg4s 3 ,&& kg4s
Laju aliran massa bahan bakar#
Perbandingan udara > bahan bakar (A@R%+
#. Diluin 'ne
2ilution +one adalah dimana udara sebesar &/9 dari total udara pimary yang masuk ke liner ditambah && total udara secondary zone yang kemudian ditambahkan dengan 92+ sebesar 69
!ambar .). Bentuk aliran udara menuju lubang tabung api
1. +umla La$u Aliran Gas *ang Akan Di%inginkan
Laju aliran melalui sebuah lubang pada liner tidak hanya tergantung pada ukuran lubang (hole dan tekanan yang hilang, tetapi juga bergantung pada ukuran saluran dan kondisi aliran di sekitar lubang, sehingga nantinya diharapkan dapat mempengaruhi kee0ekti0itasan luas laju aliran. Pada gambar .). akan ditunjukkan bentuk aliran melalui liner. Laju aliran massa udara pada dilution +one# mu2D 3 (maP+ma%+ C ma2D . mu mu2D 3 ()69 C 69 . m u 3 169 . /,1 kg4s 3 , kg4s
?umlah laju aliran gas yang akan didinginkan adalah# mg
3 mu2+ C m0
dimana# mu2+
3 Laju aliran udara pada +ona pendinginan (dilution +one (kg4s
m0
3 Laju aliran bahan bakar untuk setiap ruang bakar (kg4s
sehingga diperoleh# mg
3 , C 6,''' (kg4s 3 ,1' kg4s
!. Diameer ,fekif Lubang (-le) Pen%inginan (% $)
2iameter e0ekti0 lubang dapat dihitung dengan mempertimbangkan#
maka berdasarkan gra0ik perbandingan nilai optimal 2l4ndj Es mj4mg seperti yang tampak pada gambar diatas didapat nilai optimal 2l4ndj 3 $,&
!ambar !ra0ik desain +one pendinginan untuk ruang bakar tubular
8aka# L n.d !
3 $,&
2imana# 2L
3 2iameter Liner (m
n
3 ?umlah lubang (hole 3 ( untuk
tubular dj
3 2iameter e0eti0 lubang (m
sehingga diperoleh# dj
3
6,&$ .$,&
3 6,6&1 m &. Diameer Akual Lubang (%)
2iameter aktual dari lubang dapat dihitung dengan rumus#
keterangan# bentuk aliran udara pendinginan yang direncanakan adalah lubang bulat (round holes. Farga 72 dapat diperoleh dengan menggunakan gra0ik seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas. Untuk harga koe0isien tekanan jatuh lubang (" dapat dicari dengna menggunakan rumus# " 3 $ C ∆ P L qan
;;.; ; ;;; ; ;; ; ; ; ; ;
2imana# 3 ' (lihat lampiran & untuk jenis tubular ?adi diperoleh# "
3 $ C ' 3 '/
8aka berdasarkan gra0ik pada gambar diba-ah diperoleh 7 2 3 6,)
!ambar Pengaruh bentuk lubang pada 7 2 (discharge coe00icient 2engan demikian diameter lubang pendingin aktual adalah# dh 3 3 6,6' m
. Su%u +e
Untuk menghitung sudut jet seperti tampak pada gambar diba-ah dapat menggunakan gra0ik pada gambar .$$. ?adi untuk " 3 '/ dengan bentuk lubang bulat (round holes, diperoleh sudut jet
6
3 / .
!ambar ./. Gariasi sudut jet dengan tekanan jatuh liner untuk berbagai bentuk lubang
a. N/el Baan Bakar (0uel N//le) Pada kebanyakan turbin gas, bahan bakar cair akan dikabutkan dengan menyemprotkan ke dalam ruang bakar. %atu buah no+el bahan bakar normal digunakan pada ruang bakar tubular. Proses pengabutan itu sendiri maksudnya adalah dimana aliran bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar pada +ona utama (primary +one yang kemudian disesuaikan dengan pola aliran laju udara untuk menciptakan pembakaran.
%ebuah no+el bahan bakar yang ideal haruslah memiliki karakateristik sebagai berikut# $. Proses pengabutan (atomi+ation yang baik &. Respon yang cepat untuk merubah setting katup (throttle '. Bebas dari aliran yang tidak stabil . Biaya yang muran dan berat yang ringan pada saat pembuatan serta mudah dalam penggantian komponen pada saat pemeliharaan. ). Resiko kerusakan yang direndah pada saat pembuatan dan pemasangan. Tipe 0uel no++le yang direncanakan pada ruang bakar ini adalah jenis plain jet air blast yang juga merupakan no+el untuk kebanyakan dengan bahan bakar gas alam, seperti yang tampak pada gambar .1.
b. Diameer rifis$e %ebuah plain:jet airblast menurut A.". ?asuja dengan penelitiannya terhadap proses pengabutan pada sebuah kon0erensi para peneliti injeksi bahan bakar di London pada tahun $1/ mengemukakan bah-a, diameter ori0is4jet dapat dicari dengan hubungan#
!ambar Tipe 0uel no++le plain jet air blast dengan bahan bakar gas alam
#. ,fisiensi Pembakaran H0isiensi ruang bakar dapat dicari dengan melihat gra0ik kurEa untuk desain ruang bakar konEensional seperti yang tampak pada gambar .$6. 2imana dapat dicari dengan rumus#
6,
8aka berdasarkan gambar .$6. di ba-ah ini untuk ruang bakar jenis tubular diperoleh e0isiensi pembakaran adalah 1/9.
!ambar 2esain kurEa untuk konEensional ruang bakar
a.
Pemilian 2aerial Ruang Bakar
$ "abung Api (Liner) %an Selubung (Casing)
8aterial yang digunakan untuk sebuah tabung api ruang bakar harus mampu bertahan di atas $166
6
@. 8aterial tabung api yang digunakan harus diusahakan
memiliki tingkat keretakan dan tegangan mulur yang rendah pada saat mencapai batas maksimum temperatur pembakaran. %elain itu tahan terhadap oksidasi dan korosi akibat panas adalah suatu yang sangat penting dalam pemilihan tabung api. Tabung api ruang bakar dibaut dari lembaran metal yang mengalami proses machining drilling dan punching. Untuk material tabung api dipilih stainless steel dengan tipe A% '$6. %ementara material untuk selubung (casing ruang bakar juga dipilih 8artensite %tainless steel tipe $6. !. "ransiin Pie#es
Ialaupun secara teknis tidak termasuk bagian ruang bakar, transition pieces sangat penting sebagai bagian dari sistem pembakaran, yaitu mengarahkan gas hasil pembakaran menuju sudut:sudut turbin. 8aterial yang dipilih sebagai bahan pembuatan transition pieces adalah sustenite stainless steels A% tipe '$6. '. Perpin%aan Panas
Perpin%aan Panas Pa%a 'na Uama (Primar* 'ne)
Untuk menentukan perpindahan panas yang terjadi pada +ona utama, maka data yang harus diketahui yang diperoleh dari hasil perhitungan sebelumnya adalah# $.
Panjang liner +ona utama (LPD 3 LL > (L%D C L2D 3 $,6) > (6,& . 2 L C $,) . 2 L 3 $,6) > (6,& . 6,&$ C $,) . 6,&$ 3 6,/ m
&.
2iameter liner +ona utama (2PD 3 2L 3 6,&$ m
'.
Laju aliran massa udara +ona utama (muPD 3 &,' kg4s
.
Laju aliran gas pembakaran (mgPD 3 muPD C m0 RB 3 &,' C 6,''' 3 &, kg4s
).
Temperatur gas panas pada +ona utama(TgPD 3 Tma 3 $'6',/ "
.
Panas spesi0ik (7pg 3 $,$1/k?4kg."
.
Giskositas propertis gas (J 3 ,1 . $6 kg4m.s
/.
"onduktiEitas panas propertis gas (k 3 6,6/'1 I4m."
1.
Pr 3 6,6)
:)
$6. Temperatur udara masuk pada anullus T6&a 3 $',) " $$. Panas spesi0ik (7pan 3 $,6) k?4kg." :)
$&. Giskositas properti udara anulus (Jan 3 ',6 . $6 kg4m.s $'. "onduktiEitas panas propertis udara anulus (k an 3 6,6 I4m." $. Pran 3 6,/ $). Laju aliran massa udara pada anullus (muan 3 /,1 kg4s $. Laju aliran gas total (mg 3 ,1' kg4s $. "onduktiEitas material %tainless steel A% tipe '$6 (k m 3 &/ I4m."
Perpin%aan Panas Pa%a 'na Ke%ua (Se#n%ar* 'ne)
Untuk menentukan perpindahan panas yang terjadi pada +ona kedua, maka data yang harus diketahui adalah# $.
Panjang liner +ona kedua (L%D 3 6,& . 2L 3 6,& . 6,&$ 3 6,6&/ m •
•
&.
2iameter liner +ona kedua (2%D 3 2L 3 6,&$
'.
Laju aliran massa udara (mu 3 muPD C mu%D 3 &,' C ,&& 3 ,)/ kg4s
.
Laju aliran gas pembakaran (mg,%D 3 mu C m0 RB 3 ,)/ C 6,''' 3 ,1$1 kg4s
).
Temperatur gas panas pada +ona kedua (Tg,%D 3 $'6',/ "
.
Panas spesi0ik (7pg 3 $,$1/ k?4kg."
.
Giskositas propertis gas (Jg 3 ,1 . $6 kg4m.s
/.
"onduktiEitas panas propertis gas (k g 3 6,6/' I4m."
1.
Pr 3 6,6)
:)
$6. Temperatur udara +ona kedua pada anullus Tu,an 3 '1,) " $$. Panas spesi0ik (7p 3 $,6/' k?4kg." :)
$&. Giskositas propertis udara anullus (Jan 3 ',1 . $6 kg4m.s $'. "onduktiEitas panas propertis udara anulus (k an 3 6,6)) I4m." $. Pr an 3 6,/) 8aka berdasarkan skema perpindahan panas pada gambar diba-ah, dapat dicari laju perpindahan panas pada +ona kedua ruang bakar (liner dengan langkah:langkah#
Perpin%aan Panas Pa%a 'na Dilusi (Diluin 'ne)
Untuk menentukan perpindahan panas yang terjadi pada +ona dilusi, maka data yang harus diketahui adalah# $. Panjang liner +ona dilusi (L2D 3 $,) . 2L 3 $,) . 6,&$ 3 6,'&$ m &. 2iameter liner +ona dilusi (2%D 3 2L 3 6,&$
'. Luas laju aliran massa udara (mu 3 muPD C mu%D C mu2D 3 &,'' C ,&& C , 3 $,$/ kg4s . Laju aliran gas pembakaran (mg,2D 3 mu C m0l 3 $,$/ C 6,''' 3 $,)$1 kg4s ). Temperatur gas panas pada +ona dilusi (Tg,2D 3 $$/),' " . Panas spesi0ik (7pg 3 $,$ k?4kg." :)
. Giskositas propertis gas (Jg 3 ,) . $6 kg4m.s /. "onduktiEitas panas propertis gas (k g 3 6,6) I4m." 1. Pr 3 6,6 $6.
Temperatur udara +ona dilusi pada anullus Tan,in 3 $',) "
$$.
Panas spesi0ik (7p 3 $,6) k?4kg."
$&.
Giskositas propertis udara anulus (Jan 3 ',6 . $6 kg4m.s
$'.
"onduktiEitas panas propertis udara anulus (k a n 3 6,6 I4m." $. Pr 3 6,/
:)
8aka berdasarkan skema perpindahan panas pada gambar .$$. dapat dicari laju perpindahan panas pada +ona dilusi pada ruang bakar (liner dengan langkah:langkah# a.
8enentukan bilangan Reynold#
!ambar %kema pindahan panas pada selubung
2engan diketahuinya laju perpindahan panas yang terjadi pada setiap +ona, maka ketebalan untuk dinding selubung dapat dicari. Berdasarkan gambar .$&. perhitungan ketebalan selubung dapat dicari# 5 3 h.A.ΔT dimana# h
3 hoPD C ho%D C ho2D 3 )), C $&/&,1 C &&', &
3 $$&,$ I4m ." ΔT
3 ((Tu,PD C Tan,in4& : T 3 (('1,) C $',)4& > '66 3 , > '66 3 ',) "
A 3 &K(r > r '.L m
&
%ehingga# $$')'&,$$ 3 $$&,$. (&.K (r > 6,$&') . $,6) . ',)
$$')'&,$$ 3 $6,&$ . $6 . r > $,&6 . $6 r 3 6,$') m maka ketebalan selubung adalah r > r ' 3 6,$') > 6,$&') 3 6,6$$) m 3 $$,) mm ?adi diameter selubung terluar adalah 6,$') . & 3 6,&m 3 &6 mm.
K,S32PULAN
2ari hasil perhitungan pada perencanaan ruang bakar ini, maka dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut# Ruang Bakar • • • •
•
•
• • • • • • • • •
Tipe ruang bakar# Tubular ?umlah ruang bakar# $6 buah Laju aliran udara total# /,1 kg4s Laju aliran udara menuju tiap ruang bakar# /,1 kg4s Total laju aliran bahan bakar# ','' kg4s Laju aliran bahan bakar menuju tiap ruang bakar# 6,''' kg4s LFG bahan bakar# $/.'$', k?4kg bb 2iameter selubung (7asing# 6,& m 2iameter tabung api (Liner# 6,&$ m Panjang tabung api# $,6) m Tebal liner# 6,66)) m Tebal selubung (casing# 6,6$$) m 2iameter e0ekti0 lubang (hole pendinginan liner# 6,6&1 m 2iameter aktual lubang (hole pendinginan liner# 6,6' m 6
%udut jet laju aliran udara ke dalam liner# / H0isiensi ruang bakar# 1/9
8aterial tabung api (Liner# Austenite stainless steels tipe A% '$6 8aterial selubung (7asing# 8artensintic stainless steel tipe $6 8aterial transition pieces# Austenite stainless steel tipe A% '$6
N/el Baan bakar •
2iameter ori0is4jet (do# 6,66$' m 3 ,$' mm
Perpin%aan Panas •
Laju perpindahan panas pada +ona utama (Primary Done ke annulus 3 '11$1,') I
