BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II. Cara Kerja Instalasi Turbin Gas Pada dasarnya turbin gas terdapat 3 komponen utama (gambar 2.) yaitu :. Kompresor 2. Ruang bakar 3. Turbin Udara masuk B.Bakar Gas Buang R.Bakar KOMPRESOR TURBIN genera tor Gambar 2. Diagram Aliran Turbin Gas Siklus Terbuka Cara kerja yang dipakai pada sistem turbin gas didasarkan pada siklus Brayton (gambar 2.2) tanpa memperhatikan turbin gas tersebut dipakai pada pembangkit daya pada instalasi, otomotif, ataupun pada pesawat terbang. Sikslus Brayton ideal adalah siklus dengan beberapa asumsi, yaitu :. Proses kompresi dan ekspansi terjadi isentropic.

2 9 2. Perubahan energi kinetik dan fluida kerja antara sisi masuk dan sisi keluar kompresor diabaikan. 3. Tidak ada kerugian tekanan pada sisi masuk ruang bakar 4. Masa aliran gas dianggap konstan Gambar 2.2 Siklus Brayton Ideal 2 : Proses kompresi isentropik pada kompresor 2 3 : Proses pembakaran pada tekanan konstan 3 4 : Proses ekspansi isentropik 4 : Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan Adapun cara kerja turbin gas dimulai dari kompresor yang berfungsi untuk menghisap udara sekaligus memanfaatkannya sehingga tekanan dan tempratur akan naik. Udara bertekanan tinggi dari kompresor masuk kedalam ruang bakar, dimana bahan bakar disemprotkan sehingga tejadi pembakaran. Energi yang dihasilkan pada proses pembakaran menyebabkan gas hasil pembakaran mengalami kenaikan

3 20 tempratur dan entalpi yang secara ideal pada tekanan konstan. Gas hasil pembakaran ini di ekspansikan kedalam turbin dan akan memutar sudu-sudu turbin, dimana putaran akan memutar poros yang sekaligus juga memutar kompresor dan generator listrik. Turbin gas pada instalasi listrik dapat dilihat pada gambar 2.3. Gambar 2.3 Gambar Penampang Turbin Gas Pada Instalasi Listrik. Keterangan gambar :. Kompresor 2. Turbin 3. Poros 4. Ruang bakar Pembahasan rancangan ini lebih menitikberatkan pada bagian kompresor sesuai dengan judul yang sudah ditetapkan.

4 2 II. 2. Pengertian Kompresor Kompresor merupakan pasawat konversi energi yang memanfaatkan udara atau gas yang bertekanan rendah menjadi tekanan lebih tinggi. Kompresor biasanya menghisap udara dari atmosfer dan memanfaatkannya hingga tekanan kerja yang diinginkan, namun ada juga komprosor yang menghisap udara atau gas yang bertekanan yang lebih tinggi dari atmosfer, dalam hal ini kompresor bekerja sebagai penguat (booster). Sebaliknya ada juga kompresor yang menghisap udara yang tekanannya lebih rendah dari tekanan atmosfer, dalam hal ini kompresor ini disebut pompa vakum, tetapi disimpan pada tangki penyimpanan kemudian disalurkan pada unit-unit yang memerlukan. II. 3. Klasifikasi Kompresor Kompresor terdapat dalam berbagai jenis dan tergantung pada volume dan tekanannya. Berdasarkan arah memanfaatkannya, kompresor dibagi atas 2 jenis yaitu :. Kompresor Sentrifugal Kompresor jenis ini bekerja dengan menaikkan dengan tekanan dan kecepatan fluida dengan gaya sentrifugal ini dibagi lagi atas kompresor aksial dan radial, berdasarkan arah aliran gas masuk sudu yaitu sejajar atau tegak lurus. 2. Kompresor perpindahan positif (Positive displacement) Kompresor jenis ini menaikkan tekanan dengan memperkecil atau memanfaatkan volume udara atau gas yang dihisap kedalam selinder atau torak.

5 22 Untuk instalasi turbin gas yang digunakan menaikkan head (H) atau tekanan digunakan kompresor radial atau kompresor aksial. Pada kompresor radial udara masuk dengan kecepatan (C ) akibat adanya kecepatan (C 2 ) yang tinggi. Untuk medapatkan (C 2 ) yang tinggi dibutuhkan perbandingan impeler D 2 D yang besar. Demikian juga kecepatan (C 2 ) yang keluar impeler, tidak dapat langsung digunakan tetapi harus mempunyai peralatan tertentu seperti pengarah, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.4. perbandingan diameter yang besar sekali menyebabkan luas penampang lairan pada sisi masuk jauh lebih kecil dari luas penampang aliran sisi keluar, sehingga kapasiats kompresor radial relatif kecil. Gambar 2.4 Penampang Melintang Memanjang dan Silinder dari Sudu Jalan Kompresor Radial dan Aksial Pada kompresor aksial arah aliran didalam sudu sejajar sumbu poros (aksial), diameter rata-rata sudu antara bagian masuk dan bagian keluar adalah sama. Sehingga kecepatan tangensial sisi masuk (U ) sama dengan kecepatan tangensial sisi keluar (U 2 ) seperti diperlihatkan pada gambar 2.5. Agar tekanan gas atau udara

6 23 dapat dinaikkan maka kecepatannya diperbesar, hal ini dapat diatur dengan merancang bentuk kelengkungan sudu yang sesuai dengan kapasitas. Sehingga dapat simpulkankan bahwa kapasitas kompresor aksial lebih baik dibandingkan dengan kapasitas kompresor radial. Gambar 2.5. Penampang Sudu dari Kompresor Radial dan Kompresor Aksial II.3. Komtruksi Kompresor Aksial Kompresor banyak tingkat yang alirannya bergerak secara aksial diperlihatkan pada gambar 2.6. Rotor ditumpu dengan bantalan luncur logam putih dan dibuat dari baja tempiat, bantalan tekan dipasang pada sisi tekan. Pada saat terdapat titik tetap dari rumah, perpanjangan atau pemuaian karena panas dari rumah dan rotor akan bergerak kearah kiri dan dapat diseimbangkan oleh kopling gigi elastis yang dipasang berhadapan dengan motor penggerak. Sudu-sudu pengarah diapsang pada rumah sudu pengarah yang juga dibagi secara horizontal (gambar 2.7). Dari situ terdapat celah aksial dan radial yang presisi tidak dipengaruhi oleh regangan karena panas. Baut-baut disebelah kiri dari rib melingkar yang berputar

7 24 pada rumah bagian bawah gunanya untuk mengikat rumah dan untuk keamanan terhadap bergeraknya rumah penyangga sudu pengarah karena tekanan. Rumah bagian luar dilengkapi dengan saluran isap dan saluran tekan. Gambar 2.6. Kompresor Aksial Banyak Tingkat Gambar 2.7. Sudu-sudu Kompresos Aksial

8 25 II.4 Kontruksi Kompresor Radial Gambar 2.8 memperlihatkan penampang melintang sebuah roda jalan dari kompresor radial. II.5. Analisa Termodinamika Pada penerapannya siklus ideal tidak mungkin diperoleh karena dalam siklus akan terdapat kerugian kalor, hal ini terjadi karena isolasi yang kurang sempurna, juga terjadi kerugian tekanan pada komponen system yang disebabkan karena adanya gesekan fluida. Penyimpangan tersebut dalam siklus dapat dilihat pada gambar 2.9. Keterangan gambar : Gambar 2.9 Diagram T. s : Siklus ideal : Siklus actual -2 : Proses kompresi isentropic -2 : Proses kompresi aktual

9 : Proses pembakaran aktual 3-4 : Proses ekspansi isentropic 3-4 : Proses ekspansi aktual 4 - : Proses pengembangan kalor aktual II.5.. Kompresor Kerja spesifik Kompresor ideal, titik -2 (Wk -2 ) yaitu kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor pada kondisi ideal menurut (Lit hal 55) Wk -2 = Cp (T 2 T ) = h 2 h (kj/kg).. (2.) Dimana : Cp T T 2 h h 2 = Panas jenis udara pada tekanan konstan (kj/kg) = Temperatur udara masuk kompresor (K) = Temperatur udara keluar kompresor (K) = Entalpi udara spesifik masuk kompresor (kj/kg) = Entalpi udara spesifik keluar kompresor (kj/kg) Harga-harga entalpi udara spesifik dapat dilihat pada tabel sifat-sifat udara (lampiran ). Kerja spesifik kompresor aktual pada -2 (Wk -2 ) yaitu kalor spesifik yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor secara aktual dengan memperhitungkan efisiensi kompresor dan kerugian-kerugiannya, karena pada dasarnya kompresi tidak akan pernah terjadi secara isotropik. Akibatnya kalor yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor secara aktual akan lebih besar.

10 27 Maka efisiensi kompresor : ηk = = Kerja ideal Kerja aktual h h h 2 ' 2 h.(2.2) dimana : h 2 η k = Entalpi udara spesifik keluar kompresor aktual (kj/kg) = Efisiensi kompresor Dengan menentukan efisiensi kompresor yang berharga 0,05 0,90 maka diperoleh h 2 dan T 2 (lit 2 hal 97). Pemasukan panas, titik 2-3 Qin = h 3 h 2 (KJ/Kg gas) (2.3) II.5.2. Ruang Bakar Kalor spesifik yang masuk (Qin) pada ruang bakar adalah gas hasil pembakaran. Pembakaran ini menaikkan temperature gas sekaligus menaikkan entalpinya, secara teoritis terjadi pada tekanan konstan. Reaksi pembakaran sempurna sengan udara untuk hidro karbon dengan mengetahui perbandingan volume sempurna dengan udara hidrokarbon dengan mengetahui perbandingan volume dari bahan baker berguna untuk menganalisa pembakaran tiap komponen bahan bakar sehingga diperoleh AFR.

11 28 mol udara x BM udara AFR = mol bahan bakar x BM bahan bakar = massa udara massa bahan bakar...(2.4) Kemudian akan didapat faktor kelebihan udara (λ) yaitu : AFR akt AFR teo λ = x00%. (2.5) AFR teo Dimana : λ = Faktor kelebihan udara ( excess air ) AFR = Air Fuel Ratio (kg udara /kg bahan bakar ) BM udara = berat molekul udara (kg udara /kmol bahan bakar ) BM bahan bakar = berat molekul bahan baker (kg bahan bakar /kmol bahan bakar ) Pada ruang bakar proses pembakaran terjadi pada tegangan konstan (isobar), tetapi pada kenyataannya terjadi pengurangan tekanan sebesar 0,02 0,03 (lit 2 hal 200). Qrb = Cp (T 3 T 2 ) = h 3 h 2. (2.6) dimana : h 3 T 3 qrb = Entalpi gas keluar ruang baker (kj/kg) = Temperatur gas keluar ruang baker (K) = Kalor spesifik ruang baker (kj/kg) Reaksi pembakaran teoritis dengan udara hidro karbon dengan rumus C m H n adalah menurut persamaan reaksi (lit 4 hal 76).

12 29 C H n + m+ 4 n 4 n 4 n ( O + an + bh O) mco + a m+ N + + b m+ H O m n dimana : a = perbandingan volume N 2 dengan O 2 di udara b = perbandingan volume H 2 O dengan O 2 di udara II.5.3. Turbin Dari gambar 2.8 proses turbin yang ideal adalah dari titik 3-4 yang merupakan prose ekspansi. Proses ini adalah proses pelepasan energi yang mana pada penerapannya digunakan sebagai energi untuk menggerakkan bahan (kompresor dan generator). Karena terbatasnya kekuatan material sudu turbin terhadap temperature dan tegangan thermal maka temperature gas masuk turbin dibatasi, untuk turbin penggerak pesawat terbang temperature maksimum C dan untuk turbin industri 950 o C (lit hal 92), sedangkan gas buang turbin di batasi sekitar o C dan untuk tekanannya agar dapat mengalir keudara bebas maka dirancang tekanan gas keluar turbin, -,2 kali tekanan udara bebas. Sehinga untuk proses ekspansi ideal pada turbin kerja yang terjadi adalah : Wt 3-4 = Cp ( T 3 T 4 ) = h 3 -h 4. (2.7) dimana : Wt 3-4 = Kerja spesifik ideal yang keluar turbin(kj/kg) T 4 T 3 = Temperatur gas keluar turbin (K) = Temperatur gas masuk turbin (K)

13 30 h 4 = Entalpi gasn keluar turbin ideal (kj/kg) Karena adanya kerugian maka hanya sebagaian dari kalor yang ada pada gas dapat diubah menjadi kalor berguna dengan efisiensi turbin. h h t = h h η 3 4. (2.8) 3 4 dimana : h 4 η t = Entalpi spesifik keluar turbin (kj/kg) = Efisiensi turbin Efisiensi turbin dan efisiensi kompresor adalah 0,9 maka diperoleh harga entalpi keluar turbin aktual dan kondisi gas buang aktual. II.5.4 Kalor Efektif Kalor efektif adalah selisih antara kalor yang dimasukkan dengan kalor yang keluar, secara matematis dapat dituliskan : q eff = q in q out. (2.9) = (h 3 h 2 ) (h 4 h ) II.5.5 Kerja Spesifik Siklus Bersih (Wnett) Kerja spesifik siklus adalah selisih kerja yang dihasilkan turbin dengan kerja yang dibutuhkan kompresor tiap kg gas, yang secara matematis dapat dituliskan : Wnett = Wt 3-4 Wk -2 = (h 3 h 4 ) (h 2 h )

14 3 = (h 3 h 2 ) (h 4 h ) = q eff. (2.0) Dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa selisih antara kalor yang masuk dan keluar merupakan kerja spesifik yang dihasilkan untuk menggerakkan beban selain kompresor. II.5.6 Efisiensi Siklus Merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang efektif dengan kalor yang dimasukkan ke system yaitu : W net η sik = qin ( h = 3 ( h = ( h h2 ) ( h h h h ) h ) h ). (2.) Oleh karena proses -2 dan 3-4 adalah proses yang berlangsung secara isentropis, maka hubungan P-T diperoleh : T2 = T ( ) ( γ ) T3 r γ p = T4. (2.2) dimana r p adalah perbandingan tekanan (pressure ratio), yaitu : p p = p p 2 3 Pr = = 2 = 3 r p. (2.3) 4 Pr Pr Pr 4 II.5.7 Generator Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan generator utnuk menghasilkan daya listrik merupakan daya netto turbin. Daya netto haruslah lebih besar dari daya

15 32 keluar generator. Karena pada generator itu sendiri terhadap faktor daya dan kerugian-kerugian. P P t net =. (2.4) ηg. ηm cos ϕ dimana : P ηg ηm : Daya keluar generator : Efisiensi generator : Efesiensi mekanis generator Cos φ : Faktor daya Dan untuk daya semu generator (Pg) adalah : Pg = P Cos ϕ. (2.5) dimana : Pg = Daya semu generator II.5.8 Laju Aliran Massa Udara Untuk menentukan laju aliran massa udara dari bahan baker maka keadaan dihitung pada temperature rata-rata udara atmosfer yang dihisap kompresor, hal ini berguna untuk mendapatkan perbedaan daya keluar system tidak terlalu besar bila system bekerja pada temperature rendah ataupun temperature tinggi atau atmosfer. Laju aliran massa udara dan bahan baker dapat dihitung dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi dan instalasi : Pt = Pt net + Pk Pt net = Pt Pk = mg. Wt ma. Wk = (ma + mf) Wt ma. Wk

16 33. ma = Pt net. m f + Wt Wk. ma. (2.6) dimana :. m f. ma = FAR aktual Pt net = Daya turbin bersih Pt Pk = Daya turbin = Daya kompresor