1
Wibowo Paryatmo
2
Turbin Gas & Motor Propulsi • Sem. 3 (S-2) ; 3 SKS • Waktu kuliah : Minggu, 08.00 s.d. 12.15 (break 10.00 – 10.15) ; 12.45 s.d. • • • • •
17.00 = 4 sesi Jumlah tatap muka : 12 s.d. 16 Minimum kehadiran : ada Sifat ujian (UTS & UAS) : tutup buku ; buka resume 1 lb A4 (asli) ; soal & resume dikumpulkan bersama naskah jawaban / buka buku / tugas Komponen nilai : kehadiran 5% ; quiz, tugas & kegiatan terstruktur 15% ; UTS 30% ; UAS 50% Acuan Utama : (1) M.M.El Wakil, “Powerplant Technology ”, ”, McGraw-Hill Book Co., 1985 Penunjang : (2) Cohen,H., Rogers, G.F.C, Saravanamuttoo, H.I.H, “Gas Turbine Theory ”, ”, 2nd Ed., ELBS & Longman Group Ltd., 1978 ”, (3) Boyce, M.P., “Gas Turbine Engineering Handbook ”, Gulf Pub. Co., 1982
3
Turbin Gas & Motor Propulsi 1. Turbin gas sebagai mesin penggerak mula 1.1. dikripsi turbin gas 1.2. sejarah perkembangan 1.3. ciri spesifik turbin gas (keunggulan dan kekurangan) 1.4. konstruksi dasar 1.5. lingkup penggunaan 2. Siklus termodinamika turbin gas 3. Konstruksi turbin gas 3.1. siklus sederhana (simple gas turbine ) 3.2. siklus dengan augmentasi 4. Macam-macam turbin gas 5. Siklus aktual dan pengaruh T 1, T 3 , dan r p 6. Ukuran kinerja 7. Parameter rancangan 8. Gas ideal, tabel udara dan tabel gas 9. Dasar termodinamika turbin gas dan pembangkitan tenaga hukum termodinamika dan penerapannya energi, kerja, daya ; satuan dan konversinya
4
difuser, kompresor, ruang bakar, turbin dan nosel 10. Peningkatan Kinerja Turbin Gas enhance / augmented cycle STIG (steam / water injection ) – siklus Cheng aeroderivative repowering uprating siklus tertutup (close cycle ) siklus kombinasi (combined cycle ) cogeneration 11. Pengujian Turbin Gas dan Besaran Tak Berdimensi 12. Turbin Gas Untuk Sistem Propulsi Pesawat Terbang 13. Dasar-dasar Perawatan Turbin Gas (Mainternance )
BAB 1 TURBIN GAS SEBAGAI MESIN PENGGERAK MULA
L2 MATAHARI
gaya tarik
ENERGI BUMI
HELIOTHERMAL
SINAR MTHARI
gaya tarik AIR
ANGIN
EN. MEKANIS
GEOTHERMAL FISSI NUKLIR
EN. PANAS
KOLEKTOR
EN. NUKLIR
APK / BUMI
FUSI NUKLIR
BB. HC
EN. BB. KIMIA
REAKTOR
BH MAKANAN LAIN-LAIN
EN. SINAR
PEMB. EKSTERNAL
P A N A S
MEDIA CAIR / KETEL UAP
LAIN-LAIN
PEMB. INTERNAL
MEDIA GAS OTOT
TURBIN AIR
KINCIR AIR
KINCIR ANGIN
MS UAP TURBIN UAP TURBIN GAS
MS DIESEL
ENERGI MEKANIS PUTARAN POROS
MS OTTO
MS WA WANKEL NKEL
L3
Sumber Energi Turbin Gas padat heliothermal geothermal (fusi nukjli) fissi nuklir
cair
gas
bahan bakar HC
pembk. eksternal ENERGI
PANAS
pembk.internal media cair/uap
media gas TURBIN GAS
beban
generator pompa kompresor alat mekanis gaya dorong
m. Diesel m. Otto m. Wankel
L4
P R I M E M O V E R S
GENERATOR AIR TERJUN
ENERGI LISTRIK
AKUMULATOR
PUMP STORAGE PLANT PLTB (bayu) PLTA (air) PLTM PLTM (mikrohidro) PLTU (uap) PLTPB (panas bumi) PLTN (nuklir) PLTG (gas) PLTGU = STAG
USERS
6
1. TURBIN GAS SEBAGAI MESIN PENGGERAK MULA
• • • • • • • • • •
1.1. DISKRIPSI TURBIN GAS : Turbin gas = turbin dengan media kerja gas bertemperatur tinggi (gas panas atau gas hasil pembakaran) dan bertekanan Penggerak mula (Prime ( Prime Movers ) = alat mekanis yang mengubah energi primer menjadi energi mekanis putaran poros (L2-slide 85) Turbin mesin dengan gerak rotasi t.d. poros dan sudu-sudu sudu -sudu Sudu berputar / rotary blade (= mb = moving blade ) menempel pada poros dan sudu tetap / stasioner (= fb = fixed blade ) menempel pada rumah turbin (casing ) Fungsi sudu atau blade : mengubah arah dan kecepatan aliran fluida kerja sehingga timbul gaya yang memutar poros Turbin konvensional ada tiga : turbin gas (media kerja gas), turbin uap (media kerja uap) dan turbin air (media kerja air) Sesuai untuk pembangkit daya medium Turbin gas tidak dapat dipisahkan dengan pembangkit gas (gas generator ) yang terdiri dari kompresor dan ruang bakar. Untuk dapat berekspansi dengan baik, gas panas harus bertekanan Siklus turbin gas (= siklus Brayton ; ideal Brayton cycle = Joule cycle ) dapat siklus terbuka atau siklus tertutup Semua jenis energi panas pada dasarnya dapat digunakan
7 1.2. SEJARAH SINGKAT & PERKEMBANGANNYA : 1. Prin Prinsi sip p ker kerja ja suda sudah h lam lama a dike dikena nall ~ 150 150 BC BC Hero Hero of Alex Alexan andr dria ia : hot air turbine air turbine penggerak simbol seremoni agama 2. 1791 1791 : John John Barb Barber er,, gas gas kelu keluar ar cero cerobo bong ng (unt (untuk uk pang pangga gang ngan an roti roti)) – realisasi dari ide Leonardo da Vinci 1510 1818 : James P. Joule mendalami teori siklus turbin gas 1894 : dirintis turbin gas dengan kompresor (1900 Stolze gagal ; K&T <<) 1905 : turbin gas 400 HP – Societe des Turbomoteurs (Paris), = 4% 1911 : turbin gas yang secara praktis cukup ekonomis 1920 : turbo supercharger supercharger untuk pesawat terbang bermesin torak 1939 : Brown-Boveri, turbin gas industri 4000 kW, TIT~550 C, ~ 18% PD II : dikembangkan untuk propulsi pesawat terbang 1941 : penerbangan pertama dengan mesin Whittle 3. Sesu Sesuda dah h PD II : untu untuk k prop propul ulsi si pes pesaw awat at ter terba bang ng mil milit iter er & kome komers rsia iall dan dan untu untuk k industri ( sampai 30%) 1948 : semi close gas turbine tested at Winterthur Swiss (Sulzer) 1960 : siklus kombinasi STAG (USA) – General Electric 4. Recent technology s.d th. 2000 : # 40% (simple cycle ) dan 55% (combined cycle = STAG ) ; daya 1 unit = 280 MW (GE : MS-9001); TIT 1430C 5. Present & Future technology : aeroderivative untuk pembangkit daya kecil (s.d. 10 MW) dan menengah (s.d. 200 MW) ; combined cycle untuk daya yang besar (> 200 MW), serta cogeneration bila diperlukan energi panas dan listrik secara bersamaan. Diramalkan efisiensi > 60%
8 1.3. CIRI SPESIFIK TURBIN GAS : 1. (+)B (+)Ber erat at spes spesif ifik ik rend rendah ah [kg [kg/k /kW] W] : kom kompa pak k / kec kecilil / rin ringa gan n 2. (-) Awalnya sfc [g/kW.h] tinggi ; sekarang bersaing dengan mesin diesel (simple cycle, sfc ~ 200 g/kWh) early (simple cycle ) : < ~15% ~15% ; TIT ~650 ~650C improved , ssd PD II : ( simple cycle ) : = 17 s.d 19% ; TIT ~866 ~866C (regenerative cycle ) : = 28% (combined cycle ) : 42 s.d. 50% PLTU ~34% recent tech . : (simple c .) .) : = 40% ; TIT~1430 C (combined c .) .) : = 55% (ceramic coating mt’l ; technology mfr – – DS = directionally solidified – SC = single crystal ; improve cooling system ; aerodynamic contour ) bila TIT naik 100 F (=56C), maka : +1.5% ; W net +10% 3. (+) Mudah dan cepat dihidupkan dan dimatikan ; cocok untuk emergency plant . Dari mulai dihidupkan s.d. beban penuh ~ 6 menit. 4. (+) (+) Jen Jenis is bah bahan an bak bakar ar ber berva vari rias asii gas, gas, cair cair,, pada padat, t, nukl nuklir ir & prak prakti tis s sem semua ua jenis sumber energi panas (ctt.: eksploitasi eksploitasi panas bumi, sdh bentuk uap) 5. (+) Getaran ya yang di dibangkitkan ke kecil ( civil work murah) 6. (+ & -) -) Sed Seder erha hana na (tap (tapii tek tekno nolo logi gi ting tinggi gi)) ; tak tak ada ada gera gerak k reciprocate 7. (+) Harga per daya output rendah; 215 s.d. 235 $/kW (PLTU : 850 sd 1100) 8. (-) (-) emis emisii NOx NOx dan dan CO semu semula la menj menjad adii mas masal alah ah,, kare karena na pemb pembak akar aran an dengan temperatur tinggi sudah dapat ditekan sampai dengan maks. 25/50 ppmv NOx/CO dengan pre-comb. chamber dan injeksi air
9
9.
Mula Mula-m -mul ula a turb turbin in gas gas coc cocok ok digu diguna naka kan n unt untu uk emergency plant atau untuk propulsi pesawat terbang, karena sifat-sifat yang dimilikinya, sesuai dengan teknologi saat awal perkembangannya. Kemajuan teknologi turbin gas memungkinkan turbin gas untuk kegunaan stasioner seperti PLTG, karena sifat-sifat negatif yang semula menjadi kelemahannya, praktis sudah dapat diatasi. Turbin gas aeroderivative membuat turbin gas memiliki banyak keunggulan, untuk kegunaan yang sangat luas. Th. 2000 daya per unit sudah mencapai ~ 280 MW dan untuk siklus kombinasi ~ 500 MW. 10. Catata Catatan n : saat saat seka sekaran rang, g, turbin turbin gas gas mamp mampu u bersa bersaing ing dengan dengan jenis jenis Prime Movers yang lain dalam pembangkitan tenaga skala kecil (beberapa ratus kW) sampai besar (>500 kW). Beberapa faktor utama pemilihan jenis power plant yang paling sesuai, antara lain menyangkut masalah life cycle cost : a. capital cost b. time req’d from planning to construction c. maintenance cost d. energy / fuel cost (major to operation cost ) 11. Gas turbine : lowest maintenance and capital cost, fastest completion time, but relatively high technology
10
1.4. KONSTRUKSI DASAR Komponen utama : 1. Kompresor 2. Ruang bakar 3. Turbin 4. Beba Beban n (put (putar aran an poro poros) s) 5. Difuser (*) 6. Nosel (*) (*) = bila output = gaya dorong Output : putaran poros
K ) W net = W T . T – (W K / Output : gaya dorong
W net = ekspansi gas K ) (W T . T = W K /
Sistem Augmentasi T.GAS DENGAN AUGMENTASI
(lihat juga slide 15)
PC = precooler IC = intercooler RG = regenerator RH = reheater
11
1.5. LINGKUP PENGGUNAAN TURBIN GAS : 1. Penggerak Generator a. PLTG (simple cycle ; augmented / enhance cycle ) b. PLTGU / STAG (siklus kombinasi = combined cycle ) c. co-generation (pembangkit gabungan) – t.gas atau t. uap d. utility peak load e. emergency plant f. private power plant (incl. offshore platform etc) 2. Penggerak Mekanis a. pompa b. kompresor (gas transmission etc ) c. mesin-mesin industri 3. Untuk traksi atau kendaraan darat & laut : a. traksi berat / semi stasioner (kapal, kereta api) b. traksi ringan (mobil) 4. Propulsi Pesawat Terbang : a. turbo jet b. turbo prop c. turbo fan d. prop fan 5. Kegunaan khusus : a. auxiliary engine (misalkan : turbo supercharger ) b. gas expander (misalkan : AC pesawat terbang) c. perangkat blower pada blast furnace )
12
Bab 2 SIKLUS TERMODINAMIKA TURBIN GAS
13
Siklus Ideal turbin gas sederhana RB
K
T
(siklus Brayton ideal) t.d. langkahlangkah : 1-2 : kompresi isentropik (K) 2-3 : pemasukan energi isobar (RB) 3-4 : ekspansi isentropik (T) 4-1 : pembuangan panas (isobar)
Siklus aktual : . proses kompresi : politropik (ada Q) . pemasukan energi : ada Δp . proses ekspansi : politropik . pembuangan panas : ada Δp
14 2. SIKLUS TURBIN GAS (SIKLUS (SIKLUS BRAYTON) BRAYTON) IDEAL pada koordinat p – V dan T – s SIKLUS SEDERHANA (SIMPLE CYCLE )
1 – 2 : proses kompresi (isentropik), di kompresor 2 – 3 : energi masuk (isobar), di ruang bakar 3 – 4 : ekspansi (isentropik) di turbin 4 – 1 : pembuangan panas
k - 1)] -1)/ k W K = h 2 – h 1 = c p .T 1[(p 2 /p 1)(k -1)/ W T = h 3 – h 4 = c p (T 3 – T 4 ) Q in = h 3 – h 2 Q out = h 4 – h 1
W net = W T – W K th = (Wnet /Qin)
Siklus Regenerative & Dengan Reheater
15
TURBIN GAS SIKLUS TERTUTUP, DENGAN 2 IC, 1 RG DAN 1 RH
16
17
BAB 3 KONSTRKSI TURBIN GAS
18
output putaran poros
K
TK
TB
RB Contoh : turbin gas sederhana (simple (simple gas turbine ) dg free turbine T 1 = T in = 65 F = 291.3 K rpK = 61/14.7 = 4.15 T 3 = TIT = TIT = 1340 F = 727 C = 1000 K K = kompresor RB = ruang bakar T K = turbin kompresor T B = turbin beban (K + RB+ T K) = gas generator
* Lihat : macam-macam turbin gas
19
Turbin Gas Sederhana ( Simple Gas Turbine )
poros tunggal
poros ganda (dengan turbin bebas)
20
Turbin Gas Siklus Terbuka Dengan Augmentasi
Enhance / augmented cycle
pc
cc
pc = precooler ic = intercooler rg = rekuperator / regenerator rh = reheater
21
Perlu dibedakan antara : ● siklus kombinasi (combined cycle ) dengan pembangkit gabungan (co-generation ) ● siklus kombinasi dengan CODOG, COGOG, COSAG dsb. Siklus kombinasi (combined (combined cycle ) - STAG
22
Siklus Kombinasi, Dual Pressure Boiler
23
BAB 4 MACAM-MACAM TURBIN GAS
24 1. Menurut Jenis Pembangkit Gas ( Gas Generator = GG) : (1) pasangan ruang bakar dan kompresor + turbin kompresor (2) torak bebas ( free piston engine )* )* (3) GG terpisah (misalkan turbosupercharger )* )* 2. Menurut Siklusnya : (1) siklus terbuka (2) siklus tertutup (3) siklus setengah tertutup 3. Menurut Jumlah Porosnya (1) poros tunggal ( single shaft ) (2) poros ganda ( double shaft ) (3) poros banyak ( multi shaft ) 4. Menurut output yang dihasilkan (1) putaran poros (mis. PLTG) (2) gaya dorong (mis. ms. turbo jet ) (3) kombinasi putaran poros dan gaya dorong (mis. turbo prop ) 5. Menurut kriteria rancangan (1) (heavy frame ) industrial gas turbine (2) gas turbin untuk pesawat terbang (3) aeroderivative
25 1.2. FREE PISTON ENGINE Sebagai Gas Generator
1.1. Gas Generator = Pasangan Kompresor, Ruang Bakar dan Turbin Kompresor
1. Menurut Jenis GG Jenis Pembangkit Gas-nya 1.1. GG = K + RB + T K 1.2. GG = free piston engine 1.3. GG = terpisah
26 TURBO SUPERCHARGER Ctt.: ada supercharger jenis lain, yang tidak menggunakan turbin gas, yaitu : mechanical supercharger electrical supercharger
1.3. Gas Generator Terpisah
27
Turbosupercharger
(2) Menurut Siklusnya 2.1.Siklus terbuka 2.2. Siklus tertutup 2.3. Siklus setengah tertutup
.
.
2.1. Siklus Si klus Terbuka Terbuka
2.2. Siklus Tertutup
28
29 Menurut Siklusnya
: 2.3. setengah tertutup (semi ( semi closed )
.
.
Westinghouse semi closed cycle T1 = turbin utama T2 = auxiliary turbine C1 = kompresor utama C2 = auxiliary compressor B = ruang bakar R =regenerator =regenerator P = precooler
Sulzer Bros semi closed cycle T1 = turbin kompreor T2 = turbin daya C1 = kompresor utama C2 = auxiliary compressor B = ruang bakar R = regenerator P = precooler I = intercooler
TURBIN GAS SIKLUS TERTUTUP, DENGAN 2 IC, 1 RG DAN 1 RH
30
(3) Menurut jumlah poros : 3.1. poros tunggal (slide 14) 3.2. poros ganda (slide 14) 3.3. multi shaft
.
3.3. Mesin turbofan tripple-spool dari Rolls-Royce Rolls-Royce : poros 1 : T1 & Fan ; poros 2 : T2 & LP compressor ; poros 3 : T3 & HP compressor
31
32 .
Turbin gas untuk mobil, dengan kompresor sentrifugal & regenerator
. 33
34
4. Menurut output-nya : 4.1. putaran poros 4.2. gaya dorong 4.3. kombinasi putaran poros dan gaya dorong
4.1. Output putaran poros : Contoh : Rancangan dasar PLTG experimental Westinghouse Westinghouse 200 HP (~147 kW), TIT=1350 F (~732C)
35
4.1. Output putaran poros Contoh : PLTG Rancangan Untuk Standby Service (Brown Bovery) Bovery)
36
4. Menurut output -nya -nya 4.2. output : gaya dorong; contoh turbo jet 4.3. output : kombinasi putaran poros dan gaya dorong . Turboprop . Turbofan
37
BAB 5 SIKLUS AKTUAL DAN PENGARUH T 1, T 3 , (T,K,RB) DAN r p
38
1- 2a : proses kompresi politropis K W Ka = W Kid / 2 – 3a : proses pembakaran ada Δp rp T rp K 3a – 4a : proses ekspansi politropis W Ta = W Tid x T 4a – 1 : pross ekspansi ada Δp Q in = (h 3a – h 2a ) Q out = (h 4a – h 1) th = (Q in – Q out )/ Q Qin K W net = W T x T – W K / WR = W net / W WT
39
Pengaruh Parameter Terhadap Kinerja Dari segi termodinamika (bukan segi ekonomi) : • T 1 serendah-rendahnya terbatas kondisi atmosfer (untuk siklus terbuka), kecuali dipasang precooler • T 3 setinggi-tingginya dibatasi kekuatan material menahan suhu tinggi • Efisiensi K, RB, T, setinggi-tingginya terbatas kemampuan teknologi • Rasio tekanan kompresor (= r p ) ada optimumnya ; perlu dipilih prioritas pada , W net , atau WR Catatan : tiga besaran utama ukuran kinerja yang penting untuk diperhatikan adalah termal , W net (= kerja netto) dan WR (= rasio kerja)
40
● Untuk TIT (= T max ) yang sama, perubahan nilai r p kompresor berpengaruh terhadap W K .
● W K digambarkan sebagai luas, yang ada nilai maksimumnya untuk r p tertentu
42
BAB 6 UKURAN KINERJA TURBIN GAS
41
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
th [ - ] = efisiensi termal = (Q in – Q out )/ Q Qin
sfc [g/kW.h] = specific fuel cons . (konsumsi bh bakar spesifik) hr = heat rate [kJ/kW.h] = laju kalor W net [kJ/kg] = kerja netto SP [kW/kg.s] = specific power = daya spesifik = W net AR [(kg/s)/kW] 1/SP = air rate = laju udara = 1/ SP WR [- ] = work ratio = rasio kerja = W net / W W T
Pertimbangan pemilihan : umur (lifetime ) life cycle cost (ekonomi) ● dcf-roi (ekonomi) kehandalan (reliability ) ketersediaan (availbility ) kemudahan perawatan (maintainability ) tbo (time between overhaul ) Catatan : 1, 2, 3 = ukuran hemat tidaknya pemakaian energi 4, 5, 6 = ukuran kompak tidaknya konstruksi turbin gas 7 = ukuran stabilitas operasi
43 3600 x 1000 th = --------------------------------sfc x NK
* dengan memperhatikan satuan yang digunakan
sfc x NK h.r = ------------1000 th h.r = (3600)/
fc = sfc x daya
Daya = W net x G m
sfc = AR x F/A
NK = nilai kalor [kJ/kg] ; ada NKA = HHV = GCV & NKB = LHV = NCV fc = fuel consumption = konsumsi bahan bakar [g/h] F/A = fuel air ratio = perbandingan berat bahan bakar dan udara [ - ] G m = laju aliran massa [kg/s] Untuk NK = 43 953 [kJ/kg] = 10 500 [kcal/kg] = 18 911 [btu/lb], bila = 40% maka sfc = 204.76 [g/kW.h] dan h.r = 9 000 [kJ/kW.h] Bahan bakar HSD, kero atau JP, nilai F/Acc ~ 1/16 ; turbin gas F/A = 1/50 sd 1/150 (secara umum, kurang lebih 400% excess air ) < lean blow out Catatan : dalam menggunakan rumus, perhatikan satuannya
44
Untuk nilai kalor bahan bakar, HV = 43 953 [kJ/kg] = 10 500 [kcal/kg] = 18 911 [btu/lb] [%] sfc [g/HP.h] sfc [g/kW.h] 20 25 30 40 100
301.41 241. 241.13 13 200.94 150.7 60.282
409.52 327. 327.6 62 273.01 204.76 81.9
hr [kcal/kW.h] hr [kJ/kW.h ] hr [btu/kW.h ] 4 300 3 440 440 2 866.7 2 150 860
18 000 14 400 400 12 000 9 0 00 3 600
Daya Turbin Gas (dipengaruhi kondisi udara masuk, terutama T 1) ISO Rating : sea level ; 15 C (= 59 F) (Ctt : s.d. tahun 1970, diberlakukan NEMA std., berbasis 1000 ft altitude, 80 F (= 26.66C) ISO = NEMA x 1.12 NEMA = National Electrical Mfr. Association
17 058 13 646.4 46.4 11 372 8 529 3 411.6
45
46
47
BAB 7 PARAMETER RANCANGAN
7. Parameter Rancangan Perlu dibedakan : karakteristik termodinamika dengan karakteristik
operasi Dalam rancangan turbin gas, dari banyak faktor ukuran kinerja, tiga besaran penting adalah (1) efisiensi termal (= th ) (2) kerja netto ( W net ) (3) rasio kerja (WR ) Arti dari masing-masing besaran telah dibahas di bab 6 karakteristik termodinamika Empat parameter penting yang mempengaruhi karakteristik adalah : T 1 (temperatur fluida seksi masuk kompresor), T 3 (temperatur pembakaran, atau sering digunakan istilah TIT = turbine inlet temperature ), ), K , T , RB (efisiensi komponen utama : kompresor, turbin, ruang bakar), rp K (rasio tekanan kompresor) (Catatan : karakteristik operasi dipengaruhi banyak faktor, sehingga perlu dianalisis dengan besaran tak berdimensi) Dalam rancangan, dari pertimbangan termodinamika (bukan ekonomi) selalu diusahakan : th , W net dan WR = setinggi mungkin ( W net sebesar mungkin berarti AR serendah mungkin) – dalam praktek perancangan, perlu kebijaksanaan kebijaksanaan trade-off, tergantung dari prioritas. T 1 diupayakan serendah mungkin (terbatas temperatur lingkungan, atau memasang precooler), TIT setinggi mungkin (terbatas kemampuan material menahan suhu tinggi) dan efisiensi komponen setinggi mungkin (terbatas kemampuan teknologi), rp K dipilih nilai optimumnya.
48
49
BAB 8 GAS IDEAL, TABEL GAS DAN TABEL UDARA
50
Turbin gas siklus terbuka, fluida kerja adalah udara (sebelum masuk ruang
bakar), dan gas sesudah ruang bakar. Gas adalah produk pembakaran yang bervariasi, tergantung besarnya F/A Turbin gas siklus tertutup, fluida kerja dapat menggunakan : udara, He, H 2, N2, CO2 dan secara teoritis semua jenis gas. Gas adalah fluida kompresibel yang memenuhi hukum gas, dan secara teknis dapat dianggap sebagai gas ideal, sehingga di dalam praktek perhitungan termodinamika, termodinamika, dapat menggunakan rumus-rumus gas dan gas ideal. Untuk mendapatkan ketelitian yang lebih baik, dapat menggunakan tabel udara dan tabel gas yang sesuai (berbeda dengan fluida uap, yaitu fluida kompresibel yang tidak memenuhi hukum gas / gas ideal harus dengan bantuan tabel uap) Hukum-hukum gas antara lain Hk. Boyle, Gay-Lussac, Dalton dll. Gas ideal = gas yang memenuhi persamaan gas ideal ( equation of state ) : p v = RT p = tekanan [kPa] v = volume spesifik [m 3 /kg] R = konstanta gas individu [kJ/kg.K] T = temperatur absolut [K]
lanjutan Data udara (STP) : M = 28.967 [kg/kmol] / M R = (R* M) = 0.2868 [kJ/kg.K] c p = 1.011 [kJ/kg.K] k = (cp/cv ) = 1.4 STP = 1.252 [kg/m 3] R* = konstanta gas universal = 8.31434 [kJ/kmol.K] = viskositas absolut = 17.456x10 -6 [Pa.s] (STP – SI unit : p = 101.325 kPaa, T = 273.15 K) Tabel udara & tabel gas (untuk turbin gas, kurang lebih 400% excess air ), ), disusun dari hasil pengujian (udara dan gas dianggap sebagai gas ideal) : ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------T [K] h [kJ/kg] pr [ - ] vr [ - ] Ø [kJ/kg.K] a [m/s] -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1) semua besaran nilainya tergantung T ; datum diambil sembarang (harus konsisten), yang penting nilai relatifnya (perubahannya). (2) h = entalpi spesifik [kJ/kg] (3) p r = pressure relative (terhadap sembarang datum) (4) v r = volume spesifik relative (terhadap sembarang datum) (5) Ø = ∫cp [(d [(dT) / / T T ] Δs = s 1 – s 2 = (Ø 1 – Ø 2 ) – R ln(p2 /p1) pada kasus isentropik, Δs = 0, R ln (p 2 / p p 1) = (Ø 1 – Ø 2 ) (6) = tergantung T ; nilai ( p 2 / p p1 ) = tergantung T ; bukan nilai absolut p 2 & p 1 (7) a = kecepatan sonic a = (kRT)1/2
51
52
BAB 9 DASAR TERMODINAMIKA TURBIN GAS DAN PEMBANGKIT TENAGA
9. Dasar Termodinamika Turbin Gas dan Pembangkitan Tenaga 9.1. Landasan : Termodinamika 1. Hukum Termodinamika I ( conservation of energy ) 2. Hukum Termodinamika II ( availability of energy ) 3. Zeroth Law (postulate ) (thermal equilibrium ) 4. Third Law (attainability of absolute zero temperature ) 9.2. Persamaan Persamaan Dasar : 1. Gas Ideal, gas gas riil, riil, dan hukum-hukum gas 2. Persamaan Kontinuitas (konservasi massa) 3. Persamaan Bernoulli (konservasi momentum) 4. Persamaan Energi Umum 9.3. Komponen Turbin Gas : 1. Difuser 2. Kompresor 3. Ruang Bakar 4. Turbin 5. Nosel 6. PC (= precooler = pendingin awal) 7. IC (= intercooler = pendingin antara) 8. Rg (= regenerator) regenerator) 9. Rh (= reheater = pemanas ulang)
53
9.1. Termodinamika Ilmu yang membahas masalah energi dan perubahan energi
Inti Dari Hukum Termodinamika I & II 1. Energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan 2. Energi dapat diubah bentuknya (en. listrik, en. mekanik, en. panas / kalor, en. potensial, en. kinetik, en. tekanan dsb.) 3. Proses perubahan energi selalu disertai kerugian
54
55
Dasar-dasar Hukum Termodinamika
• 1. Hukum Termodinamika Nol ( zeroth law ) : postulate / aksioma : bila dua sistem dalam keseimbangan termal dengan sistem ke tiga, maka semuanya dalam thermal equilibrium . ( first law ) : menyatakan • 2. Hukum Termodinamika I (first kekekalan energi (conservation ( conservation of energy ) ( second law ) : informasi • 3. Hukum Termodinamika II (second (availability of energy ) • 4. Hukum Termodinamika III (third law ) : temperatur nol absolut tak mungkin dapat dicapai (attainability of 273.16C = 0 K) absolute zero of temperature = temperature = - 273.16
Energi, Kerja dan Daya energi = kemampuan untuk melakukan kerja [J ]
• • • • • •
kerja = pemanfaatan dari energi [J ] daya = laju pemanfaatan energi [ W = J/s ] entalpi (H ) = total kandungan energi : (H= U + PV) [J]) entalpi spesifik, disebut juga head : (h : [J/kg] atau [m2 /s2]) energi atau kerja dapat digambarkan sebagai luas, pada koordinat – volume (p – – V ) pressure – entropi (S ) = derajat ketidakberaturan suatu sistem (konsep Clausius 1865, bahwa dQ dapat digambarkan sebagai luas – pada koord. T-s) dQ T [J/kg.K] entropi spesifik f ds ds = f dQ / T
• • perubahan panas (dQ ) dapat digambarkan sebagai luas pada koordinat T – – s • efisiensi (umum) = output / input = 1 – (loss / / input) • efisiensi termal, th = (Q in – Q out )/ Q Qin
56
Konversi Satuan Energi Daya dan Tekanan Energi : SI unit : [J] atau [kJ] 1J = 1 W.s = 1 N.m = 1x10-3 kJ 1 kcal = 4.186 kJ 1 kcal = 3.968 3.968 BTU = 427 kgf.m 1 BTU = 778 lbf.ft 1 erg = 1 dyne.cm = 10-7 J (fisika) Daya : SI unit : [W] atau [kW] 1 HPm = 1 PS = 1 PK = 1 DK = 75 kgf.m/s = 0.736 kW 1 HPb = 550 lbf.ft/s = 0.746 kW Tekanan : SI unit [Pa] atau [kPa] atau [bar] 1 Pa = 1 N/m2 1 bar = 106 dyne/cm2 = 100 kPa = 14.5038 psi 1 atm = atmosfer fisika = 760 mm Hg = 14.6959 psi 2 = 14.2233 psi 1 at = atmosfer teknik = 1 kg /cm f Lain-lain :1 ft = 0.3048 m ; 1lb = 0.454 kg Energi spesifik = head = energi / massa [J/kg] atau [m2 /s2]
57
9.2.(1) Persamaan Dasar : Gas Ideal, Gas Riil & Hukum-hukum Gas
● Pada turbin gas siklus terbuka, fluida kerjanya adalah udara (sebelum
ruang bakar) dan gas dengan F/A tertentu sesudah ruang bakar. Besarnya F / A untuk turbin gas dibatasi oleh temperatur pembakaran. Umumnya F / A = 1/50 s.d. 1/150 atau sekitar 400% excess air. ● Pada turbin gas siklus tertutup, fluida kerjanya (secara teoritis) bisa semua jenis gas seperti udara, He, N2, CO2 ● Di dalam perhitungan termodinamika praktis, semua gas dianggap sebagai gas ideal ● Gas ideal (disebut juga perfect gas ) adalah gas yang memenuhi persamaan gas ideal atau equation of state : p.v = R.T [9.1] [9.1] x G m [kg/s] : [9.2] p.G v = G m .R.T p.V = m.R.T [9.1] x m [kg] : [9.3] p = tekanan [Pa] v = volume spesifik, v = (1/ ) [m3 /kg] R = konstanta gas individu [J/kg.K] T = temperatur absolut [K] G m = aliran massa [kg/s] G v = aliran volume [m3 /s] V = volume [m3]
58
Gas Riil ● Gas Riil (= non perfect gas ) : perlu koreksi faktor kompresibilitas Z pada persamaan gas ideal, sehingga : [9.4] pv = ZRT ● Nilai Z dipengaruhi oleh besarnya temperatur kritis ( T c ) dan tekanan kritis ( p c ) dari gas, dan dapat dihitung dengan bantuan generalized compressibility factor chart . ● Untuk menyelesaikan perhitungan yang menyangkut fluida gas, semua hukum gas dapat diberlakukan seperti hukum Boyle (Boyle – Mariotte), hukum Charles (Gay Lussac), hukum Amonton, hukum Dalton, hukum Amagat, hukum Avogadro.
59
60
Generalized Compressibility Compressibility Factor Chart
61
9.2.(2) Persamaan Dasar Aliran Fluida • Persamaan Kontinuitas (diturunkan dari konservasi massa): untuk aliran tunak 1-D Q v = v.A (aliran volumetrik) [m3 /s] [9.5] .v.A Q m = .v.A (aliran massa) [kg/s] [9.6] • Persamaan Bernoulli (diturunkan dari konservasi momentum atau persamaan gerak yang berbasis Hukum Newton II untuk fluida Newtonian : Navier-Stokes ; untuk aliran potensial yang inviscid (pengaruh viskositas diabaikan), dalam keadaan tunak (stasioner), 1-D : incompressible fl. : p/ + v 2 /2 + gz = konstan [9.7] compressible fl . untuk gas ideal
: h + v 2 /2 + gz = konstan [9.8] : f dh [9.9] dh = f c cp .dT
62
9.2. (4). Persamaan Energi Umum ● Dari persamaan dasar termodinamika, Hukum Termodinamika I, untuk sistem terbuka aliran steady , (q – – W ) = h + KE + PE [J/kg] atau [m2 /s2] [9.10] ● bila tak ada kerugian (ideal) : q = 0 ● bila tak ada kerja yang dilakukan (seperti pada difuser atau nosel) : W = 0 ● Bila fluida kerjanya gas ideal dengan panas jenis yang tak berubah dengan temperatur : h = c p (T ) ● KE = selisih energi kinetik, dalam satuan SI = (v 2 /2) ; pada kasus kompresor, nilai KE relatif kecil dibandingkan h dan sering diabaikan (harus diinformasikan) ● PE = selisih energi potensial, dalam satuan SI = gz ; dalam perhitungan praktis gz = 0
63
9.3. Komponen Turbin Gas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Difuser Kompresor Ruang uang Bak Bakar (Com (Comb busti ustion on Chamb hambe er) Turbin Nosel Pendingin Awal (Precooler ) Pendingin Antara (Intercooler ) Regenerat rator / Rekuperator tor Pemanas Ulang (Reheater )
64
1. DIFUSER
a = difuser (intake ) 1 – 2 = kompresor 2 – 3 = ruang bakar 3 – 4 = turbin 4 – 5 = nosel
65
66
Termodinamika Difuser 1.
Difuser mengubah KE menjadi Pressure Energy
2.
Dari pe persamaan [9 [9.10]62 dapat diturunkan untuk difuser : -1)/ k k – 1] = (v 2 – v 2)/2 c p .T 1[(p 2 / p p 1)(k -1)/ 2 D 1
3.
4. 5.
6. 7.
D = h is / h akt [9.12]
[9.11]
nilainya = 70 s.d 85%
Sudut pengembangan difuser = 3 s.d. 6 , tergantung bentuk penampang difuser Penampang difuser umumnya berbentuk lingkaran atau dapat segi empat panjang, bujur sangkar atau bentuk khusus Bentuk difuser subsonik (M<1) adalah konvergen, dan bentuk difuser supersonik (M>1) adalah divergen Fungsi difuser adalah untuk membantu proses kompresi dengan memanfaatkan kecepatan aliran fluida masuk
KOMPRESOR 1. 2.
3. 4.
5. 6. 7.
Kompresor alat mekanis untuk memindahkan fluida kompresibel Kompresor : (1) aliran intermittent (positive displacement = PD) : (a) rotary (b) reciprocate (2) aliran kontinyu : (a) dynamic (aksial, sentrifugal, mixed ) (b) static : ejector Untu Untuk k tur turbi bin n gas gas umum umumny nya a : kom kompr pres esor or sent sentri rifu fuga gall (= turbo blower ) atau kompresor aksial Dari persamaan energi umum [9.10] dapat diturunkan untuk kompresor : -1)/k – 1] + (v 2 – v 2)/2 [9.13] W K(id) = c p .T 1 [(p 2 / p p 1)(k -1)/k 1 2 W K(akt) = W K(id / [9.14] K ) /(k – – 1)]. R [9.15] ; ∆ KE umumnya dapat diabaikan c p = [(k) /( – 1)/k = (v /v )(k – – 1) Isentropik : (T 2 /T 1) = (p 2 /p 1)(k – [9.16] 1 2 c p – c v = R ; c p / c c v = k ; c p [1 – (1/k )] )] = R [9.17]
Data Udara
•
●
Data udara : udara kering STP = standard temperature and pressure and pressure (t = 273.15 K; p = 101.325 kPaa): M = 28.967 [kg/kmol] ; R = 0.2868 [kJ/kg.K] ; cp =1.011 [kJ/kg.K] ; k = 1.403 [ - ] ; = 1.252 [kg/m 3] ; h k = 0.0237 [W/m.K] ; = difusivitas termal = 19.2 x 10 -6 [m2 /s] ; = 17.456 x 10-6 [Pa.s] ; =13.9 x 10-6 [m2 /s] ; Pr= 0.71 ; p cr = 37.744 [bar] ; t cr = 309.5 [K]
Data udara kering pada tekanan atmosfer t [ t [°C] [kg/m3] [1/K]
20 80
cp [J/kg.K] [J/kg.K] hk [W/m.K] hk [W/m.K] [m2/s]
1.164 3.41x10-3 1012 0.968 2.83x10-3 1019
0.0251 0.0293
catatan : = koefisien ekspansi termal = difusivitas termal (udara (STP) = 1.252 kg/m 3
[Pa.s]
22.0x10-6 18.24x10-6 30.6x10-6 20.79x10-6
Kompresor Sentrifugal
1. Aliran oleh gaya sentrifugal • F = m. v 2 / r r = m. 2.r 2. r pK / stage stage = 2.5 s.d. 4 (<6) • r p(tot) = (r p /stage)x x = jumlah stage 3. Memilih jenis kompresor yang sesuai antara lain dengan melihat intet volume flow , Gv(in)[m3 /s] 4. Gv(in) = <0.472 [m3 /s} : PD G v(in)= 0.472 sd 59 : sentrifugal G v(in ) >59 : aksial
Kompresor Aksial 1. Alir Aliran an flu fluid ida a kare karena na ben bentu tuk k penampang sudu = airfoil 2. Dasar teori beda dg turbin aksial (channel theory ), ), karena berbeda solidity Turbin : s = > 1.5 Kompresor : s = 0.5 s.d 0.7 3. rp K /stage = 1.08 sd 1.25
RUANG BAKAR ● Konstruksi Ruang Bakar
(terbagi menjadi 3 zona) ● Jenis jenis ruang bakar 1. Single ca can 2. Multi can 3. Can annular 4. St Stra raig igh ht throu hrough gh 5. Reverse flow
can type = shell type
can type reverse flow
1. 2.
3. 4. 5.
6.
Ruang bakar (combustion (combustion chamber ) Ruang bakar tempat di mana proses pembakaran atau pemasukan energi terjadi Ruan Ruang g baka bakarr dira diranc ncan ang g untu untuk k dapa dapatt terja terjadi di pemb pembak akar aran an yang stabil, mencapai TIT seperti yang diinginkan, penggunaan material yang sesuai serta memperhatikan masalah emisi Dari Dari seg segii term termod odin inam amik ika, a, yan yang g pen penti ting ng mam mampu pu mena menaha han n suhu pembakaran yang diinginkan sesuai dengan F/A T in = 394 sd 789 K (dengan regenerator : 644 sd 1033 K) T out = 922 sd 1255 K ( industrial gas turbine ) ; 1060 sd 1644 K (ps. terbang) ; 3 000 F (near future ) ~ 1650C Pemb Pembak akar aran an berla berlang ngsu sung ng seca secara ra kont kontin inyu yu,, deng dengan an F/ F/A A= 1/50 sd 1/150 (F/A cc = 1/16 ; lean blow out : 1/25 ; rich blow out = 1/5 & dipengaruhi kecepatan aliran dari udara pembakaran
lanjutan
7. Rancangan ruang bakar, dengan membagi menjadi tiga ti ga zona, memungkinkan terjadi pambakaran pada F/A yang y ang sangat rendah. Tiga zone dari ruang bakar adalah : 1. ignition zone 2. reaction zone 3.quencing and quencing and mixing 8. ignition zone : terjadi pembakaran (dengan F/A yang dapat terbakar ~ 1/16) reaction zone : daerah terjadinya penyempurnaan pembakaran dengan masuknya udara sekunder (F/A berkurang) quencing & mixing : selain pembakaran lebih disempurnakan, juga terjadi proses pendinginan, agar temperatur pembakaran tidak melampaui kekuatan material (udara tertier masuk, & F/A makin berkurang)
TURBIN 1. 2. 3. 4.
5. 6. 7. 8.
Turb Turbin in aksi aksial al dan dan komp kompre reso sorr aksi aksial al tran transf sfer er ener energi giny nya a berkebalikan ; dari segi rancangan sangat berbeda Kompresor aksial teori airfoil solidity s solidity s = 0.5 sd 0.7 Turbin aksial teori channel solidity s solidity s >1.5 Dari Dari pers persam amaa aan n ene energ rgii umu umum, m, dapa dapatt dit ditur urun unka kan n: 1 W Takt = T c p T in (1 – ------------- ) + KE [9.18] – 1)/ k k r p(T)(k – Fluida kerja turbin adalah gas dengan F/A tertentu, dan dapat dianggap sebagai gas ideal r pT = r pK , bila p di ruang bakar diabaikan ; besarnya p berkisar 2 sd 5% karena kar ena adanya percepatan gas. T = h (akt) / h (is) Pers. [9.18] : r p(T) tidak selalu sama dengan r p(K), tergantung jenis output -nya -nya serta kerugian yang terjadi (adanya pressure drop di ruang bakar)
lanjutan 9. Jenis turbin : turbin impuls dan turbin reaksi 10. Turbin impuls : tidak ada ekspansi di sudu gerak 11. Turbin reaksi : ada ekspansi di sudu gerak 12. Adanya kerugian tekanan jatuh di ruang bakar, mengurangi W T
NOSEL 1. 2.
Nosel alat mekanis untuk mengubah Presure Energy (energi tekanan) menjadi energi kinetik (energi kecepatan Dari pers. [9.10]62, dapat diturunkan persamaan nosel : h = ½ (v out2 – v in2) ; diperoleh : – 1)/ k k – 1] v out = 2. N .c p .T out [(p in / p pout )(k –
3. 4.
5.
Pada Pada nose nosell kon konve verg rgen en (unt (untuk uk pesa pesawa watt ter terba bang ng), ), v out maksimum = sonic (= Mach 1) ; v sonic = (kRT )1/2 Oleh Oleh kare karena na itu itu perl perlu u dite ditent ntuk ukan an bata batas s eksp ekspan ansi si deng dengan an trial & error, bila dengan ekspansi penuh menghasilkan v out > v sonic Teka Tekana nan n kelu keluar ar nose nosell dap dapat at dihi dihitu tung ng deng dengan an pers persam amaa aan n: – 1)/ k k (T in / T T out ) = (p in / p pout )(k –
~982C
Peta Operasi Turbin Turbin Gas Sederhana Poros Tunggal T 1 = 535R (~24C) p 1=14.7 psia (~101.3 kPaa K = 0.85 RB = 0.97 T = 0.87
Pengaruh TIT dan rp K terhadap th dan W net
Peta kinerja
“Siklus Kombinasi” Kondisi uap : p = 700 psia=4828 kPaa T=1260 R=445 C
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Buktikan sa satuan energi spesifik, spesifik, head : 1 J/kg = 1 m2 /s2 Head : m (= kgf.m/kgf) = …. kgf.m/kgm (ingat : g c )
8.
Konsumsi msi ba bahan ba bakar kar sp spesifik (=sfc ) : 156 g/PS.h = …. g/kW.h. Pengertian sfc dan bedanya dengan fc
Tekanan : 15 psi = ….. kPa Temperatur : - 40C = …. F = …. R Entalpi : 200 kJ/kg = …. kcal/kg = …. BTU/lb Entropi : 50 kJ/kg.K = …. kJ/kg.C = …. kJ/kg.F Nilai kalor bahan bakar : 11 000 kcal/kg = …. kJ/kg = …. BTU/lb
9
1. 2.
3. 4. 5. 6. 7. 8.
1 J/kg = 1 (N.m)/kg = 1 (kg.m/s 2.m)/kg = 1 m2 /s2 g c = faktor konversi gravitasi = 9.807 [kg m /kgf.m/s2] = 32.174 [lb m /lbf.ft/s2] / g / g W g = m gc ; / g g = / g gc SI : p/ + v 2 /2 + g.z = konstan konstan [kJ/kg] = energi/massa energi/massa + v 2 /2g + z = konstan [m = kg f.m/kgf] = energi/berat TM/B : p/ p/ + v2 /2g c + (g/g c ).z [ kgf.m/kgm] = energi/massa psi = lb/inch2 - 40C = {(- 40) – (+32)} x 5/9 = - 40 F 200 200 kJ/ kJ/kg kg = 200 200x( x(1/ 1/4. 4.18 186) 6) kcal kcal/k /kg g = 47.7 47.778 78 3 kca kcal/ l/kg kg 200 kJ/kg = 200x(1/3.968)x0.454 = 50.4032x0,454 = 22.883 btu/lb 50 kJ/kg.K = 50 kJ/kg. °C = 5/9x50 [ °C/ °F x kJ/kg. °F] = 28.67 kJ/kg. °F 11 00 000 kca kcal/ l/kg kg = 11 11 00 000 x 4.18 4.186 6 kJ kJ/kg /kg = 46 046 046 kJ/ kJ/kg kg 11 000 kcal/kg kcal/kg = 11 000 x 3,986 3,986 x 0.454 = 19 19 906.1 [btu/lb] [btu/lb] 156 g/PS.h = (1/0.736) [PS/kW] x 156 [g/PS.h] = 211.96 [g/kW.h]
Catatan : . 1 lb = 0.454 kg lb/kg = 0.454 . C/F = 5/9 ; C/K = 1/1 ; F/R = 1/1 ; K/R = 5/9 . 1 kcal = 3.968 btu kcal/btu = 3.968 . Angka muai = 0.05 m/m/K = …. Inch/inch/K = …. Inch/inch/ F (inch/mm = 1/25.4 ; K/F = 5/9) . 1 [btu/(h.ft.K] = 1.729577 [W/(m.K] . 1 [btu/h.ft2.K] = 5.6745 [W/m2.K] . 11 000 kcal/kg = 11 000x3.968x0.454 = 19 816.2 btu/lb
L2 MATAHARI
gaya tarik
ENERGI BUMI
HELIOTHERMAL
SINAR MTHARI
gaya tarik AIR
ANGIN
EN. MEKANIS
GEOTHERMAL FISSI NUKLIR
EN. PANAS
KOLEKTOR
EN. NUKLIR
APK / BUMI
FUSI NUKLIR
BB. HC
EN. BB. KIMIA
REAKTOR
BH MAKANAN LAIN-LAIN
EN. SINAR
PEMB. EKSTERNAL
P A N A S
MEDIA CAIR / KETEL UAP
LAIN-LAIN
PEMB. INTERNAL
MEDIA GAS OTOT
TURBIN AIR
KINCIR AIR
KINCIR ANGIN
MS UAP TURBIN UAP TURBIN GAS
MS DIESEL
ENERGI MEKANIS PUTARAN POROS
MS OTTO
MS WA WANKEL NKEL
L3
Sumber Energi Turbin Gas padat heliothermal geothermal (fusi nukjli) fissi nuklir
cair
gas
bahan bakar HC
pembk. eksternal ENERGI
PANAS
pembk.internal media cair/uap
media gas TURBIN GAS
beban
generator pompa kompresor alat mekanis gaya dorong
m. Diesel m. Otto m. Wankel
L4
P R I M E M O V E R S
GENERATOR AIR TERJUN
ENERGI LISTRIK
AKUMULATOR
PUMP STORAGE PLANT PLTB PLTA PLTM PLTU PLTPB PLTN PLTG PLTGU = STAG
USERS
s
Variasi Pembebanan (daerah subtropis) Ordinat P = daya
MS WANKEL = ROTARY ENGINE
6
• Persamaan Kontinuitas (diturunkan dari konservasi massa): untuk aliran tunak 1-D Q v = v.A (aliran volumetrik) [1.4] Q m = .v.A (aliran massa) [1.5] .v.A • Persamaan Bernoulli (diturunkan dari konservasi momentum atau persamaan gerak yang berbasis Hukum Newton II untuk fluida Newtonian : Navier-Stokes ; untuk aliran potensial yang inviscid (pengaruh viskositas diabaikan), dalam keadaan tunak (stasioner), 1-D : incompressible fl. : p/ + v 2 /2 + gz = konstan [1.6a] compressible fl . : h + v 2 /2 + gz = konstan [1.6b] untuk gas ideal : f dh [1.6c] dh = f c cp .dT
1. 2.
3.
4.
5.
6.
Ener Energi gi nukli nuklirr dip diper erol oleh eh dari dari pros proses es pemb pembel elah ahan an inti inti (fis (fissi si)) uns unsur ur berat, atau penggabungan inti (fusi) unsur ringan (isotop H). Fertile material (misalkan U92238, Th90232), proses pembelahan intinya sangat pelan dan tak dapat menjamin terjadinya reaksi rantai (yang berlangsung sangat cepat) serta sukar terjadi proses fissi yang disebabkan penangkapan neutron bertenaga tinggi Fissionable m ma aterial (misalkan U92235, U92233, Pu94239), dapat diperoleh langsung dari alam atau diolah dari fertile material . Des Desinte integr gra asi : pe peris ristiwa tiwa kelu keluar arny nya a sinar inar , dsb dari suatu inti unsur, yang mengakibatkan peristiwa transmutasi (perubahan unsur) Tran Transm smut utas asii : per perub ubah ahan an suat suatu u unsu unsurr menj menjad adii uns unsur ur baru baru karen karena a pemboman partikel (umumnya neutron) dengan kecepatan tinggi, yang diperoleh dari cyclotron dan sejenisnya. Fissi = pembelahan inti dari fissionable material ; misalkan U92235 terbentuk material baru yang saling tolak menolak (Ba & Kr), neutron baru (yang membelah inti yang lain), energi yang besar karena ada massa yang hilang
7. Energi yang dihasilkan tiap pembelahan inti = 200 MeV 1 MeV = 1.6 x 10-6 erg = 1.6 x 10-13 J = 3.82 x 10-17 kcal 1 fissi nuklir = 200 MeV = 3.2 x 10-11 Ws berarti 1W = 3.1 x 1010 fissi/s 1 [g] uranium terdapat 6.02 x 1023 atom 8. Energi yang dihasilkan 1 g uranium = 6.02 x 1023 x 3.2 x 10-11 [ J ] = 2.3 x 104 kWh = 1978 x 104 kcal (atau setara 2.82 ton batubara dengan nilai kalor 8000 kcal/kg) 9. Massa yang hilang berubah menjadi energi sesuai formula : E = m.c 2 (E [erg], m [g], c [cm/s]) atau (E [J], m [kg], c [m/s]). c = kecepatan cahaya = 3 x 1010 [cm/s] = 3 x 108 [m/s] 10. Massa kritis = jumlah massa tertentu, yang bila dilampaui akan terjadi reaks rantai (terjadi pelepasan energi yang tak terkendali). Untuk digunakan sebagai pembangkit tenaga perlu pengendalian : how to start, decrease, increase, stop. Metoda yang banyak digunakan adalah dengan control rod , yang berisi neutron absorber 11. Coolant ; to remove the heat generated by the fission process . Membawa panas sensibel yang diperoleh dari reaktor nuklir, dan digunakan untuk memproduksi uap (pada PLTN) 12. Uranium alam terdiri dari : U92238 (99.3%), U92235 (0.7%) dan U92233 (sedikit sekali). Untuk digunakan sbg bhbakar PLTN, agar murah low enriched ) atau dengan pembiak (breeder ) biasanya diperkaya (low enriched
Fissi Nuklir (lanjutan) 13. Untuk mengambil fissionable mt’l (U92235) dari uranium alam, dapat secara mekanis (gas diffusion separator atau electromagnetic separator ), ), atau secara chemical (converter atau breeder ). ). Dalam reaktor converter (thermal converter) , U92235 yang terbentuk, lebih kecl dari yang terpakai. Sedangkan pada breeder (fast breeder) sebaliknya. Pemisahan U92235 dari uranium alam sangat mahal. Fully enriched (sampai 93.5%) tidak efisien karena biayanya lebih besar dari hasil yang diperoleh. Pada low enriched kadar U92235 = 3 s.d 4% 14. Ada 2 macam fission reactor : (1) thermal (2) fast 15. Untuk digunakan sebagai pusat pembangkit daya, banyak konsep dari termal reaktor (511 unit per 1983), diantaranya ada 4 jenis powerplant yang telah dibangun secara komersial sampai tahun 1983, dengan daya total = 391 600 MW, yaitu : (1) pressurized- water-reactor (PWR) powerplants = 284 (2) boiling-water-reactor (BWR) powerplants = 132 (3) gas-cooled-reactor (GCR) powerplants = 53 (4) heavy-water-reactor (PHWR) powerplants = 39 16. Fast-breeder reactor = 7 unit, 3280 MW
17. Pada thermal reactor, fission is primarily caused by thermal neutron . Oleh karena itu perlu moderator untuk menormalisasikan neutron, di samping juga sebagai coolant untuk mengambil panas yang dibangkitkan dari proses fissi. Moderator dan coolant bisa dari bahan yang sama light water (H & O) atau heavy water (deuterium & O) atau bahan yang berbeda seperti graphite (sebagai moderator) dan gas helium atau CO2 (sebagai coolant ) 18. Fast breeder tidak perlu moderator tapi tetap memerlukan coolant seperti liquid metal (Na) – LMFBR = liquid-metal fast-breeder reactor , atau gas (He) – GCFR = gas cooled fast reactor 19. Bom atom Hiroshima, uranium 50 kg, daya ledak 12.5 kiloton (ada yang menyebutkan 20 kiloton) TNT, 1 kg actually fissioned , 1 kg massa yang dikonversiksan menjadi energi. Nagasaki dengan plutonium. Ledakan nuklir terbesar (fissi-fusi) daya ledak 57 000 kiloton TNT (USSR 1961) 20. Bahaya dari ledakan fissi nuklir : (1) blast (2) panas (3) fallout (hujan partikel radioaktif) 21. Nuclear reactor = a device for controlled fission
Fusi Nuklir 1. 2.
3.
4.
Fusi Fusi nukl nuklir ir = pen pengg ggab abun unga gan n inti inti dari dari unsu unsurr ring ringan an,, yai yaitu tu isot isotop op zat zat air deuterium (= D = H12) dan tritium (= T = H13) Agar Agar terj terjad adii fus fusi, i, inti inti deng dengan an muat muatan an posi positi tiff per perlu lu dipe diperc rcep epat at gerakannya sampai energi kinetiknya cukup tinggi, sehingga gaya repulsive listrik teratasi. Diperlukan temperatur sampai puluhan juta derajat Celcius (menghasilkan plasma = fasa 4 = gas yang bermuatan listrik) agar terjadi fusi. Reaksi fusi = termonuklir. Energi yang dihasilkan : energi per reaksi [MeV] D+D T+p + 3.98 D + D He3 + n + 3.25 T + D He4 + n + 17.6 He3 + D He4 + p + 18.3 1 eV = 10-6 MeV = 1.6021 x 10-19 [J] = 4.44 x 10-26 [kWh]
5. E = m.c2 c 3 x 108 [m/s] ; amu = atomic mass unit = 1.66 x 10-27 kg Diperoleh : E [MeV] = 931 x m [amu] Berarti : E [ J ] 9 x 106 m [kg] 6. Massa dari neutron = mn = 1.008665 amu, proton = mp = 1.007277 amu ; elektron = me = 0.0005486 amu 7. Pada reaksi fusi terjadi juga massa hilang, dan timbul energi yang besar, jauh lebih hebat dari fissi nuklir, namun tidak ada radioactivity 8, Sedang diupayakan “fusi dingin” (D He @ 350x106C ; D + T He @ 45x106C) 9, 1 lb D ekivalen 28 000 ton TNT (Hiroshima 12 500 ton TNT) 10. Cara pengendalian dan menampung suhu yang ekstrim tinggi belum ditemukan ; magnetic bottle hanya bertahan sangat singkat. Dengan pengembangan riset seperti saat sekarang, realisasi paling cepat tahun 2050 11. Energi fusi tersedia cukup berlimpah ; D (heavy hydrogen ) = 1/6660 bagian dari hidrogen alam 12. Bom H : fissi – fusi – fissi; 1961 dicoba di Novaya Zemla berdaya ledak sampai ekivalen 57 megaton TNT (57 000 000 ton) ; schock wave mengelilingi bumi 3x. Kruschev (1961) mengumumkan USSR mampu membuat membuat bom 100 megaton
1. 2. 3. 4. 5.
Proses photosynthese : CO 2 + H 2 O (dengan bantuan sinar matahari) bahan makanan biomass bahan bakar HC Bh baka bakarr HC = bh baka bakarr foss fossilil = bh baka bakarr konv konven ensi sion onal al Bh bakar HC = non renewable (siklus pembentukannya sangat lama) sedangkan biomass = renewable Bh baka bakarr HC HC dap dapat at berb berben entu tuk k pada padatt (ra (rant ntai ai karb karbon on panj panjan ang) g),, cai cairr (rantai karbon sedang), atau gas (rantai carbon pendek (<5) Komposisi bb padat dan bb cair : unsur bb padat bb cair M [kg/kmol] C 63 ÷ 94 83÷87 H 2.3 ÷ 5.6 11÷14 O 2.5 ÷ 2.7 0 ÷7 N 0.5 ÷ 17.5 0 ÷7 S 0.26÷ 6.5 0 ÷4 ash *) *) H2O 0.0 ÷ 0.1 0 ÷0.1
organik bb combustible
dry fuel
non orgnk non comb.
water
12.011 12 1.0079 1 15.994 16 14.0067 14 32.064 32 -~ 18 18
Ash (abu, dari kandungan mineral/logam), dan juga P (phosphor) jumlahnya relative kecil
6. combustion
engine
heat
mech. energy
thermo electric element fuel cell
energi bahan bakar HC
generator electrical
Bahan bakar pembk. eksternal liquid
m. uap
panas
pembk. internal gas
turbin uap turbin gas
turbin gas
m. diesel
m. otto
m. wankel
7. Bh bakar gas, umumnya gas alam (natural gas ) komponen utamanya adalah : ~ 90% methan (CH4), dan sedikit ethan (C2H6). Unsur C & H = 95%, lain-lain 5%. Untuk keperluan transportasi atau untuk peak shaving plant , dicairkan (LNG = liquefied natural gas ) sampai t -160C (proses cryogenic ). ). cair / gas 1/600. Untuk
digunakan lagi, perlu regasifikasi & energi “dingin” dimanfaatkan.
8. Bentuk cair umumnya produk minyak bumi (crude oil ) : H2, LPG, avgas , mogas , avtur , kerosene . HSD / LGO, HGO / IDF, MFO, residu (MFO dan residu biasa untuk pembakaran eksternal). Kandungan C berkisar 85% dan H 15%, lain-lain kecil 9. Bentuk padat umumnya batubara (coal ) : anthracyt, bituminous , lignite, peat , kayu bakar. Kandungan C : dominan 10. Bentuk gas : gas alam. 11. Nilai kalor : (a) adalah energi yang terkandung dalam bahan bakar [kJ/kg] (b) nilainya tergantung komposisi bahan bakar, terutama kandungan C dan H). Ada Nilai Kalor Atas (NKA = HHV = GCV) dan Nilai Kalor Bawah (NKB = LHV = NCV) ; perbedaannya “ heat latent of evaporation dari uap air yang terkandung dalam bh bakar”
(c) Air (H2O) di dalam bh bakar, berasal dari (1) pembakaran H2 (2) H2O dalam bh bakar (3) H2O dalam udara (d) NKA = 43 500 [kJ/kg] berarti 1 kg bahan bakar tsb bila dibakar menghasilkan energi 43 500 kJ 12. Kebutuhan udara pembakaran : O2(min)v = 1.866 c + 5.6 h + 0.7 s – 0.7 o
[m3 /kgbb]
O2(min)w = 32/12 c + 32/4 h + 32/32 s – o
[kg/kgbb]
Komposisi udara : [%volume] N2 = 79% ; O2 = 21% [% berat] N2 = 77% ; O2 = 23% Udv = . (O2(min)v ’.(O2(min)m Udm = ’.(O
/0.21) /0.23)
3 /kg ] bb
[m bb] [kg/kg
Di mana : = air surplus cipher = (udara aktual)/(udara teoritik) yang baik = 1.1 s.d. 1.3
12. Komposisi gas buang [m3kgbb] :
CO2 = 1.866 c H2O = 11.2 h + 1.24 w SO2 = 0.7 s O2 = 0.21 Ud(min)-v ( - 1) N2 = 0.79 Ud(min)-v + 0.8 n w = kandungan air di dalam bahan bakar n = kandungan N di dalam bahan bakar 1.24 = (22.4/ M MH2O ) = 22.4/18 M N2) = 22.4/28 0.8 = (22.4/ M Ud(min)-v = O2(min)-v / 0.21 13. Panas jenis gas asap dapat dihitung dari :
(m.c p )
c p(ga) = -----------m
14.
Q = m. c p . T
1, Biomass = bahan organik yang dihasilkan oleh tumbuhan, di darat maupun di air serta turunannya (forrest crops , product of energy farms (jarak, jagung, cpo) untuk diolah menjadi biodiesel, bioetanol dsb), animal manure (pupuk kandang), wood waste , bagasse (ampas tebu), aquatic crops (sea weeds , algae ) 2. Merupakan renewable energy (siklus pemulihannya pendek) and a and a – photosynthese . form of solar energy – 3. Perlu kebijaksanaan dengan penyediaan pangan karena perebutan lahan (misalkan pembuatan biofuel dari jagung) 4. Animal & human waste = indirect trerrestrial crop = dihasilkan methan, ethylene (industrial plastic ), ), pupuk 5. Focus of research : short rotation growing , optimum technique for planting, fertilization, harvesting, conversion 6. Biomass conversion = bioconversion : ada banyak bentuknya antara lain : (1) direct combustion (2) combustion (2) thermochemical conversion conversion (an aerobic (gasification, liquefaction) (3) biochemical conversion (an digestion, fermentation) 7. Contoh : Jepang telah merancang “kebun algae” seluas 1 juta hektar di perairan laut dangkal di Yamatotai, dan diharapkan menghasilkan 5.3 miliar galon bioetanol tiap tahun, yang dapat menyubstitusi 33% kebutuhan BBM Jepang.
Mesin turbo fan (fan mounted aft ) dari GE, CJ-805-23
Turbo fan f an GE CF 5-60 untuk Airbus A 300 B Gaya dorong ( start ) 220 000 N, G m = 646 kg/s, poros ganda, rp K(tot) = 28.3, TIT = 1280 C, bypass ratio = 4.4 : 1, daya jelajah 12 500 kW
Turbo propeller , poros ganda, propeler : n = 976 rpm, daya 4200 kW, kompresor n = 15 500 rpm, rp K = 13.5, Gm = 21.1 kg/s, F propeler = 68 500 N, F pancar gas = 5000 N, sfc = 270 [g/kWh]
Turbin gas kecil untuk helikopter, dengan kompresor sentrifugal rp K = 6.4, daya 280 kW, n = 6000 rpm, Gm = 1.9 kg/s, F = 5 000 N, F nosel = 150 N
Kompresor .
.
D
K
RB
T
N
T [°R] V [fps] 2000
v
p [atm] 1500
6
T
5 1000
4 3
500
2
p
1
VARIASI T, p, v MESIN PANCAR GAS ALIRAN AKSIAL
100%
output 1500 90%
80%
PENGARUH ALTITUDE THD. OUTPUT
.
Siklus Kombinasi – PLTGU (poros tunggal)
.