Prinsip Siklus Brayton

Siklus Brayton menjadi konsep dasar untuk setiap mesin turbin gas. Siklus termodinamika ini dikembangkan pertama kali oleh John Barber pada tahun 1791, dan disempurnakan lebih lanjut oleh George Brayton. Pada awal penerapan siklus ini, Brayton dan ilmuwan lainnya mengembangkan mesin reciprocating dikombinasikan dengan kompresor. Mesin tersebut berdampingan dengan mesin Otto diaplikasikan pertama kali ke otomotif roda empat. Namun mesin Brayton kalah pamor dengan mesin Otto empat silinder yang dikembangkan oleh Henry Ford. Pada perkembangan selanjutnya, siklus Brayton lebih diaplikasikan khusus ke mesin-mesin turbojet dan turbin gas.

Untuk memudahkan memahami siklus Brayton, sangat disarankan bagi Anda untuk mengetahui prinsip kerja turbin silahkan klik tautan berikut "Prinsip Kerja Gas Turbine Engine". Kita ambil contoh mesin turbojet pesawat terbang. Mesin ini menggunakan media kerja udara atmosfer. Sisi inlet kompresor menghisap udara atmosfer, dan udara panas yang telah melewati turbin keluar ke atmosfer lagi. Sekalipun sistem turbojet ini nampak merupakan siklus terbuka, untuk kebutuhan analisa termodinamika, mari kita asumsikan udara yang keluar turbin gas akan menjadi inlet untuk kompresor. Sehingga untuk menganalisa siklus Brayton pada mesin turbojet menjadi lebih mudah.

Siklus Brayton melibatkan tiga komponen utama yakni kompresor, ruang bakar (combustion chamber), dan turbin. Media kerja udara atmosfer masuk melalui sisi inlet kompresor, melewati ruang bakar, dan keluar kembali ke atmosfer setelah melewati turbin. Fenomena-fenomena termodinamika yang terjadi pada siklus Brayton ideal adalah sebagai berikut:

(1-2) Proses Kompresi Isentropik

Udara atmosfer masuk ke dalam sistem turbin gas melalui sisi inlet kompresor. Oleh kompresor, udara dikompresikan sampai tekanan tertentu diikuti dengan volume ruang yang menyempit. Proses ini tidak diikuti dengan perubahan entropi, sehingga disebut proses isentropik. Proses ini ditunjukan dengan angka 1-2 pada kurva di atas.

(2-3) Proses Pembakaran Isobarik

Pada tahap 2-3, udara terkompresi masuk ke ruang bakar. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar, dan diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran diserap oleh udara (qin), meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume udara. Proses ini tidak mengalami kenaikan tekanan udara, karena udara hasil proses pembakaran bebas berekspansi ke sisi turbin. Karena tekanan yang konstan inilah maka proses ini disebut isobarik.

(3-4) Proses Ekspansi Isentropik

Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran, berekspansi melewati turbin. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi kinetik (baca artikel berikut). Sebagian energi tersebut dikonversikan turbin untuk memutar kompresor. Pada sistem pembangkit listrik turbin gas, sebagian energi lagi dikonversikan turbin untuk memutar generator listrik. Sedangkan pada mesin turbojet, sebagian energi panas dikonversikan menjadi daya dorong pesawat oleh sebentuk nozzle besar pada ujung keluaran turbin gas.

(4-1) Proses Pembuangan Panas

Tahap selanjutnya adalah pembuangan udara kembali ke atmosfer. Pada siklus Brayton ideal, udara yang keluar dari turbin ini masih menyisakan sejumlah energi panas. Panas ini diserap oleh udara bebas, sehingga secara siklus udara tersebut siap untuk kembali masuk ke tahap 1-2 lagi.

Siklus Brayton yang ideal:

proses isentropik - udara ambien ditarik ke dalam kompresor, di mana ia kompresi.

proses isobarik - udara bertekanan mengalir melalui ruang pembakaran, dan di injeksi kan bahan bakar yang dicampurkan dengan udara dan diberi pengapian, sehinga temperatur udara naik dan diikuti ekspansi udara (penambahan volume udaran) tapi tekananya konstan, karena ruangan terbuka untuk mengalir masuk dan keluar.

proses isentropik - udara yang dipanaskan dan bertekanan kemudian melepaskan energinya, meluas melalui turbin (atau serangkaian turbin) sehingga turbin merubah energi kinetik menjadi energi mekanik. Kemudian daya mekanik turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor.

proses isobaric - penolakan panas (di atmosfer).

Siklus Brayton yang sebenarnya:

proses adiabatik - kompresi

proses isobaric - penambah panas

proses adiabatik - ekspansi

proses isobarik - penolakan panas

Efisiensi Siklus Brayton

Perhitungan energi panas / kalor masuk (qin):

qin = h3 - h2 = cp ( T3 - T2 )

Perhitungan energi panas keluar (qout):

qout = h4 - h1 = cp ( T4 - T1 )

Perhitungan efisiensi termal (η th):

η_{t h} = \frac{q_{i n} - q_{o u t}}{q_{i n}}

η_{t h} = \frac{q_{i n}}{q_{i n}} - \frac{q_{o u t}}{q_{i n}}

η_{t h} = 1 - \frac{c_{p} (T_{4} - T_{1})}{c_{p} (T_{3} - T_{2})}

η_{t h} = 1 - \frac{(T_{4} - T_{1})}{(T_{3} - T_{2})}

η_{t h} = 1 - \frac{T_{1}}{T_{2}} \frac{(\frac{T_{4}}{T_{1}} - 1)}{(\frac{T_{3}}{T_{2}} - 1)}

Karena proses 1-2 dan 3-4 adalah isentropik, dan jika γ adalah rasio kapasitas kalor, maka:

\frac{T_{1}}{T_{2}} = {(\frac{P_{1}}{P_{2}})}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}

dan

\frac{T_{4}}{T_{3}} = {(\frac{P_{4}}{P_{3}})}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}

Dan seperti diketahui bahwa P2 = P3 serta P1 = P4, maka:

\frac{T_{1}}{T_{2}} = \frac{T_{4}}{T_{3}} \to \frac{T_{4}}{T_{1}} = \frac{T_{3}}{T_{2}}

Sehingga persamaan (1) menjadi:

η_{t h} = 1 - \frac{T_{1}}{T_{2}} = 1 - {(\frac{P_{1}}{P_{2}})}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}

dimana:

η th

\frac{T_{1}}{T_{2}} = {(\frac{P_{1}}{P_{2}})}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}

dan

\frac{T_{4}}{T_{3}} = {(\frac{P_{4}}{P_{3}})}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}

Dan seperti diketahui bahwa P2 = P3 serta P1 = P4, maka:

T1T2=T4T3→T4T1=T3T2

Sehingga persamaan (1) menjadi:

η_{t h} = 1 - \frac{T_{1}}{T_{2}} = 1 - {(\frac{P_{1}}{P_{2}})}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}

dimana:

ηth = efisiensi termal siklus Brayton

T1 = temperatur udara inlet kompresor (atmosfer)

T2 = temperatur udara outlet kompresor

P1 = tekanan udara inlet kompresor (atmosfer)

P2 = tekanan udara outlet kompresor

γ = rasio kapasitas kalor (γ udara pada 20°C adalah 1,67)

Sumber-Sumber :
artikel-teknologi.com

turbinetechnologies.com

Komentar

Postingan populer dari blog ini

Aircraft Hardware - Solid Rivet

Aircraft rivets - Terdapat ribuan rivet dalam struktur pesawat terbang, ini mengindikasikan betapa pentingnya rivet di struktur pesawat. Rivet adalah fastener yang tidak menggunakan ulir dan biasanya terbuat dari alumunium paduan, rivet adalah sebuah perangkat untuk mengikat dua lembar atau lebih sheet metal . Aircraft rivet dikelompokan menjadi dua yaitu solid rivet dan blind rivet (spesial rivet). Solid Rivets - Untuk membentuk sebuah struktur pesawat, lembaran- lembaran skin pesawat harus dikencangkan antara yang satu dengan yang lain, pengencangan tersebut biasanya menggunakan solid rivet yang terbuat dari paduan alumunium Solid rivet diklasifikasikan - dengan bentuk headnya, material pembuatanya, dan dengan ukuranya. Identifikasi Solid rivet Head - jenis-jenis kepala rivet dibedakan menurut standarisai Airforce-Navy dan Military-Standard, jenis rivet yang paling sering digunakan untuk pesawat terbang ada lima jenis yaitu: 1. AN

Baca selengkapnya

Prinsip dan Cara Kerja Venturi Meter

Prinsip Dasar Venturi Meter Venturi meter adalah suatu alat atau instrumen pengukuran kecepatan aliran fluida yang dapat digunakan pada berbagai bidang. Venturi meter di aplikasikan dari gabungan alat ukur tekanan dan memanfaatkan efek dari konstruksi pipa konvergen ( venturi effect ) yang berfungsi untuk memberikan peningkatan kecepatan aliran dan penurunan tekanan yang sesuai, dimana debit dapat disimpulkan. Sebenarnya, alat untuk mengukur kecepatan aliran fluida ada beberapa macam. antara lain adalah Orifice Flow Meter, Flow Nozzle, Elbow Meter, Pitot Tube & Annubar, dan lain sebagainya. Meter venturi klasik, yang penggunaanya dijelaskan dalam ISO 5167-1: 1991, memiliki bentuk yang ditunjukan pada gambar dibawah ini. Efek venturi terjadi pada sebuah aliran fluida yang mengalami kenaikan velocity seiring dengan penurunan luas penampang aliran. Hal tersebut diiringi juga dengan terjadinya penuruna tekanan statis ( static pressure ) fluida tersebut, hal ini sesuai dengan hukum

Baca selengkapnya

Penyebab Terjadinya Erosi Kavitasi Pada Impeler Pompa

Pengertian Kavitasi Istilah kavitasi digunakan untuk menggambarkan fenomena perubahan fase dari zat cair ke zat gas, dengan kata lain kavitasi adalah pembentukan gelembung gas yang terjadi pada area hisap pompa ( suction pump ) karena tekanan sangat rendah sampai dibawah tekanan jenuh cairan tersebut. Air dapat menguap ketika mencapai titik didihnya, kita semua pasti tahu bahwa air akan mendidih pada temperatur 100⁰ C, tetapi itu hanya berlaku ketika tekanan udaranya 1 atm pada ketinggian sea level , sehingga ketika ketinggian bertambah maka tekanan akan turun dan titik didih air akan menjadi lebih rendah temperaturnya. Dapat dilihat pada gambar diagram di atas, bahwa air dapat mendidih pada suhu 0.01⁰ C ketika tekanan udaranya 0.006 atm absolut. Dapat disimpulkan dari penjelasan diatas bahwa perubahan fase dari zat cair ke gas di pengaruhi oleh faktor tekanan udara dan faktor temperaturnya . giuhlaalknvlavnlkvnlz Kavitasi pada pompa dapat terjadi kar

Baca selengkapnya

Material Komposit

Apa Itu Komposit? Kata komposit ( composite ) berasal dari kata kerja ( to compose ) yang berarti menyusun atau menggabungkan. Komposit adalah struktur material yang terdiri dari dua kombinasi material atau lebih yang di bentuk pada skala makroskopik dan menyatu secara fisika (Kaw 1997). Schwartz (1984) mendefinisikan komposit sebagai sistem material yang terdiri dari gabungan dua atau lebih unsur pokok yang berbeda bentuk atau komposisi yang tidak dapat dipisahkan satu sama lain. Salah satu contoh material komposit yang sering kita jumpai adalah beton cor yang tersusun dari pasir, semen, besi, batu koral dan air. Pada komposit beton dapat terlihat bahwa material penyusunya memiliki sifat yang berbeda-beda, namun ketika dicampurkan dengan teknik tertentu akan menghasilkan beton yang sangat kuat, keras, dan tahan terhadap berbagai macam cuaca. Material penyusun komposit terdiri dari dua tipe, yaitu matriks dan reinforcement, kedua material penyusun itu memiliki fungsi yang berbeda.

Baca selengkapnya

Prinsip Kerja Gas Turbine Engine

Ok, Pada postingan kali ini saya akan membahas mengenai Gas Turbine Engine (GTE) , bagi kalian yang belum mengetahui dan bertanya-tanya apa sih turbine Engine itu? dan bagaimana sih prinsip kerjanya? Apa Itu Turbine Engine Turbin adalah suatu mesin rotari yang berfungsi untuk mengubah energi potensial aliran fluida menjadi energi kinetik yang bermanfaat. Fluida yang digunakan untuk menggerakan turbin antara lain adalah gas, air, uap air dan udara. Perbedaan jenis fluida inilah yang membedakan tipe-tipe dari turbin, dimana salah satu yang akan saya bahas adalah turbin gas. Prisip Kerja Gas Turbine Engine Prinsip kerja dari turbin gas tidak jauh berbeda dengan turbin-turbin yang lain. Putaran dari rotor turbin, diakibatkan oleh adanya gas bertekanan yang melewati sudu-sudu turbin. Gas bertekanan tinggi hasil dari pembakaran bahan bakar dan udara yang berekspansi inilah yang digunakan untuk menggerakan sudu-sudu turbin. Turbine gas menggunakan udara atmosfer sebagai media kerjanya.

Baca selengkapnya

Prinsip Dasar Hukum Newton

Apa itu hukum Newton ? Hukum Newton (1, 2, dan 3) adalah 3 prinsip dasar mekanika klasik yang memberikan gambaran mengenai gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya. Disebut juga hukum gerak monumental. Hukum Newton menjadi salah satu besaran turunan dalam ilmu fisika yang menyatakan besarnya gaya dalam satuan Newton (N). Seseorang yang menciptakan hukum Newton adalah Potret Sir Isaac Newton (1643-1722), seorang fisikawan, ahli astronomi, filsuf alam, alkimiawan, matematikawan, dan teolog dari inggris yang berpengaruh besar dalam dunia fisika. 1. Hukum 1 Newton (inertia/kelembaman) Yang berbunnyi : "Jika resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda yang mula-mula diam akan tetap diam dan benda yang mula-mula bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan dengan kecepatan tetap" Dengan kata lain maksud dari hukum Newton 1 dapat dipahami bahwasanya suatu benda akan berusaha mempertahankan keadaannya ataupun posisi awa

Baca selengkapnya

Kenapa Pesawat Bisa Terbang

Kenapa pesawat bisa terbang? Ini adalah pertanyaan yang sangat umum kita dengar di kehidupan sehari-hari, karena hampir setiap hari benda ini terbang melintas di atas kepala kita. Biasanya yang sering bertanya mengapa pesawat bisa terbang adalah anak-anak kecil. Jika kita ditanyakan pertanyaan tersebut pasti akan terbesit di pikiran kita, oh iya ya.. Bagaimana caranya pesawat yang memiliki berat puluhan bahkan ratusan ton bisa terbang? Dalam kajian ilmu fisika, masalah seperti bagaimana pesawat dapat terbang sebetulnya bukan peristiwa yang mustahil terjadi karena pada dasarnya hanya masalah keseimbangan gaya saja. Sebagaimana kita ketahui setiap benda yang massanya lebih berat dari udara ( hevier than air ) pasti akan jatuh ke permukaan bumi karena fenomena ini tunduk pada hukum gravitasi. Tetapi setiap benda juga terdapat gaya ke atas yang secara vektor berlawanan arah dengan gaya gravitasi bumi. Kedua gaya inilah yang berusaha direkayasa agar pesawat da

Baca selengkapnya

SCIENCE TEKNOLOGI TEKNIK PESAWAT TERBANG

Cari Blog Ini