BUKU AJAR UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

BUKU AJAR
JUDUL
MESIN KONVERSI ENERGI
BASYIRUN, S.Pd.,MT
DRS. WINARNO DR, M.PD.
KARNOWO.ST.,MT
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
PKUPT UNNES/PUSAT PENJAMIN MUTU
TAHUN 2008
KATA PENGANTAR
Buku Ajar Mesin Konversi Energi ini memaparkan teori dasar konversi energi dan
ditambah dengan penjelasan kontruksi-kontruksi mesin pada setiap bab. Pada bab-bab awal
dipaparkan ilmu-ilmu dasar meliputi mekanika fluida, termodinamika, perpindahan panas,
dan sumber-sumber energi yang mendasari teori mesin konversi energi.
Fokus pembahasan didalam buku ajar MKE ini adalah mesin mesin yang mengkonversi
sumber-sumber energi yang tersedia di alam untuk menghasilkan energi yang dapat
dimanfaatkan. Dengan demikian, mesin-mesin seperti penukar kalor, pompa, dan
kompresor, tidak dibahas detail dalam mata kuliah ini. Mesin-mesin tersebut dianggap
sebagai alat bantu untuk pengoperasian mesin-mesin konversi dan dibahas pada
perkuliahan awal. Mesin–mesin panas, seperti motor bakar, turbin gas, dan turbin uap
dibahas lebih awal, kemudian turbin air da mesin refrigerasi
2
BAB 1 DASAR PROSES KONVERSI ENERGI
Pengetahuan dasar tentang termodinamika, perpindahan panas dan mekanika
fluida sangat membantu para calon calon operator dan staf pemeliharan mesin mesin
industri. Konsep konsep dasar akan dipakai dalam pemahaman prinsip-prinsip dasar
kerja mesin mesin industri.
.
Pembahasan tidak dipresentasikan secara menyeluruh, tetapi ditekankan pada halhal khusus saja yang berkenaan dengan konsep dasar. Untuk pembahasan yang
menyeluruh pembaca bisa merujuk pada buku teks yang ada pada daftar pustaka.
1.1 Termodinamika
Ilmu termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan panas dengan kerja.
Dua besaran tersebut adalah sangat penting untuk dipahami karakeristiknya untuk
pemahaman dasar keteknikan. Jadi jelas pengetahuan dasar termodinamika sangat
penting, karena dipakai untuk menganalisa kondisi operasi berbagai alat atau mesin yang
berhubungan dengan panas dan kerja.
A. Sistem termodinamika
Untuk menganalisa mesin-mesin panas atau mesin-mesin fluida, mesin-mesin
tersebut disebut dengan benda kerja. Fluida atau zat alir yang dipakai pada benda kerja
disebut dengan fluida kerja. Sebagai contoh untuk pompa sebagai benda kerja, fluida
kerjanya adalah zat cair (air, oli ), sedangkan kompresor fluida kerjanya adalah udara.
Untuk membedakan benda kerja dengan lingkungan sekitarnya, benda kerja sering
disebut dengan sistem, yaitu setiap bagian tertentu, yang volume dan batasnya tidak
perlu tetap, dimana perpindahan dan konversi energi atau massa akan dianalisa. Adapun
istilah istilah yang sering disebut adalah sebagai berikut.
Batas sistem adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan lingkungannya
Sistem tertutup yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran energi
atau massa, dengan kata lain energi atau massa tidak melewati batas-batas sistem.
Sistem terbuka yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau melawati batasbatas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi
B. Besaran-besaran sistem termodinamika dan keadaan sistem
Dalam pembahasan setiap masalah yang berhubungan dengan kejadian-kejadian
alam atau suatu proses fisika alam, untuk memudahkan pemahaman masalah tersebut,
pemodelan matematis banyak digunakan. Pemodelan matematik adalah suatu metode
untuk mecari hubungan antara faktor-aktor fisik yang satu dengan yang lainnya
menggunakan simbol-simbol dan koordinat matematik. Dengan pemodelan tersebut, akan
ketemu suatu rumusan matematik yang bisa mewakili permasalahan fisik secara
kwantitatif
Dalam ilmu termodinamika koordinat-koordinat atau besaran fisik akan selalu
melingkupi semua rumusan termodinamika adalah Voume V, Temperatur T, Tekanan p,
Kerapatan ρ dan besaran-besaran lainnya. Besaran- besaran ini akan mempengaruhi
berbagai keadaan sistem termodinamika. Misalkan, sistem motor bakar akan berubah
keadaannya apabila tekanan p kompresinya turun, yaitu tenaga yang dihasilkan
berkurang. Perubahan keadaan temodinamika digambarkan pada grafik hubungan
tekanan dengan volume atau dengan tekanan. Contoh perubahan keadaan
3
termodinamika yaitu perubahan keadaan pada temperatur
penggambarannya pada grafik p-v dan p-t adalah sebagai berikut
p
p
isotermis T1 =T2
(
isotermis),
keadaan 2
p2, T2
keadaan 2
p2, V2
`
tetap
isotermis T1 =T2
keadaan 1
p1, V1
keadaan 1
p1, T1
vc
V
T
Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamik
Dari gambar diatas terlihat bahwa terjadi perubahan besaran pada keadaan satu ke
keadaan dua. Perubahan tersebut akan tetap berlangsung sebelum ada porses keadaan
yang lainnya. Proses keadaan selalu mempunyai satu ada lebih karakteristik yang
spesifik. Sebagai contoh untuk proses keadaan isotermis, karakteristik yang pasti khusus
adalah tidak ada perubahan temperatur selama proses.
Dalam termodinamika, besaran sistem dibagi menjadi dua yaitu besaran eextensive,
dan besaran intensive. Adapaun definisi masing-masing besaran adalah sebgai beikut.
[1] Besaran ekstensif, adalah besaran yang dipengarui oleh massa atau mol
sisitem. Contoh volume, kapasitas panas, kerja, entropi. Dari besaran-besaran
ekstensive diperoleh harga-harga jenis ( spesifik value). Harga jenis adalah
perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem atau zat.
Harga jenis =
besaran ekstensif
massa sistem
Contoh Volume jenis =
volume
Kapasitas
, Kapasitas jenis =
massa
massa
[2] Besaran intensif, adalah besaran yang tidak dipengarui oleh massa sistem.
Contoh tekanan, temperatur, dan lainnya
C. Besaran-besaran pokok termodinamika
Besaran temperatur dan tekanan adalah besaran yang menjadi pokok dari sistem
termodinamika, karena hubungan antar keduanya sangat penting untuk mecirikan proses
keadaan sistem. Disamping itu besaran temperatur dan tekanan adalah besaran dari hasil
pengukuran secara langsung dari suatu proses keadaan sistem. Hal ini berbeda dengan
besaran lainnya yang tidak berdasarkan pengukuran, tetapi diturunkan dari besaran
temperatur dan tekanan. Sebagai contoh, kerja adalah besaran turunan dari tekanan atau
temperatur.
1. Kerja pada volume konstan W= m.R.∆T
2. Kerja pada tekanan kostan W= p∆V
4
D. Bentuk-bentuk energi
Energi adalah suatu besaran turunan dengan satuan N.m atau Joule. Energi dan
kerja mempunyai satuan yang sama. Sedangkan kerja bisa didefinisikan sebagai usaha
untuk memindahkan benda sejauh S (m) dengan gaya F (Newton). Sedang bentuk-bentuk
energi lain dijelaskan dibawah ini :
Energi Kinetik ; energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, sebagai
contoh , mobil yang bergerak, benda jatuh dan lain-lain , maka energinya dapat ditulis
EK =
1
mV 2
2
Energi potensial, adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya.
Sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang yang dimiliki air karena
ketinggihannya dari permukaan
Ep = m.g.h
Sedang untuk energi potesial pegas adalah energi yang dimiliki oleh benda yang
dihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan tertentu karena penarikan
pegas.
Ep = 0,5.k.x2
Energi mekanik ; adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik dengan
energi potesial.
Em = Ek + Ep
Adapun energi atau kerja mekanik pada mesin mesin panas, adalah kerja yang dihasilkan
dari proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Kerja mekanik (dW)
tersebut sebanding dengan perubahan volume (dV) pada tekanan (p) tertentu.
∆W = p∆V
sebagai contoh energi ini secara sederhana adalah pergerakan piston, putaran poros
enkol, dan lain lain
silinder
∆ W = p∆ V
∆V
p
piston
Gambar 1.2 Energi atau kerja pada piston
Dan energi mekanik pada benda-benda yang berputar misalnya poros mesin mesin
fluida ( turbin, pompa ,atau kompresor) adalah dinamakan Torsi yaitu energi yang
dbutuhkan atau dihasilkan benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F dimana energi
tersebut pada r tertentu dari pusat putaran.
T= Fx r
5
energi mekanik putaran
poros
r
Torsi= F x r (N.m)
Gambar 1.3 Energi mekanik poros turbin gas
Energi Aliran ; atau kerja aliran adalah kerja yang dilakukan oleh fluida yang mengalir
untuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.
Wenergi aliran = pV
Panas (Q) ; energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan temperatur.
Dengan c panas jenis pada tekanan konstan atau volume konstan, energi ini dirumuskan
Q = mc∆T
Energi dalam (U); energi dari gas karena pergerakan pada tingkat molekul, pada gas
ideal hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.
Entalpi (H); sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan konstan
,dengan cp panas jenis pada tekanan konstan, dapat dirumuskan
∆H = mc p ∆T
Energi yang tersedia ; bagian dari panas yang ditambahkan ke sistem yang bisa diubah
menjadi kerja. Perbandingan antara jumlah energi tersedia yang bisa diubah menjadi
kerja dengan energi yang dimasukan sistem adalah konsep Efisiensi.
E. Sifat energi
Energi di alam adalah kekal artinya energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan
tetapi hanya bisa diubah dari energi satu ke energi lainnya (Hukum kekekalan energi).
Ilmu yang mempelajari perubahan energi dari energi satu kelainnya adalah disebut
dengan ilmu konversi energi. Tingkat keberhasilan perubahan energi adalah disebut
dengan efisiensi. Adapun sifat-sifat energi secara umum adalah :
1. Transformasi energi, artinya energi bisa diubah menjadi bentuk lain, misalkan energi
panas pembakaran menjadi energi mekanik mesin
proses pembakaran
meghasilkan energi
panas
silinder
∆ W = p∆ V
p
piston
energi mekanik
energi panas
proses perubahan energi
Gambar 1.4 Perubahan energi pada motor bakar
6
Contoh yang lain adalah proses perubahan energi atau konversi energi pada turbin
dan pompa. Perubahan energi pada turbin adalah sebagai berikut, energi fluida (energi
kinetik fluida) masuk turbin dan berekspansi, terjadi perubahan energi yaitu dari energi
fluida menjadi energi mekanik putaran poros turbin. Kemudian, putaran poros turbin
memutar poros generator listrik, dan terjadi perubahan energi kedua yaitu dari energi
mekanik menjadi energi listrik.
Energi listrik
Energi mekanik
putaran poros
Energi fluida
masuk
generator
A
turbin
air, uap, gas
poros
fluida keluar
energi fluida
energi mekanik poros
Energi listrik
Energi mekanik
putaran poros
energi listrik
Energi fluida tekanan
tinggi
B
motor listrik
pompa atau
kompresor
poros
fluida masuk
energi listrik
energi mekanik poros
energi fluida
Gambar 1.5 Konversi energi pada pompa atau kompresor
Pada gambar 1.5B terlihat proses konversi energi dari energi listrik menjadi energi
fluida. Prosesnya yaitu energi listrik akan diubah menjadi energi mekanik pada motor
listrik, energi mekanik tersebut adalah putaran poros motor listrik yang akan diteruskan ke
poros pompa. Pada pompa terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi fluida, fluida
yang keluar dari pompa mempunyai energi yang lebih tinggi dibanding sebelum masuk
pompa
7
fluida masuk
fluida keluar
putaran poros dan
impeler pompa
Gambar 1.6 Pompa sebagai mesin Konversi energi
2. Transfer energi, yaitu energi panas (heat) dapat ditransfer dari tempat satu ke tempat
lainnya atau dari material satu ke material lainnya
air panas dan uap panas
transfer panas
tungku pembakaran
energi panas
Gambar. 1.7 Tranfer energi panas dari tungku ke air di panci
3. Energi dapat pindah ke benda lain melalui sutu gaya yang menyebabkan pergeseran,
sering disebut dengan energi mekanik, seperti yang telah dibahas di bab sebelumnya. W
= FxS
gaya F ( N)
gaya F
pergeseran S (m)
Gambar 1.8 Energi mekanik pergeseran translasi ( linier)
8
gaya F
pergeseran
S = 2 π r.nrev
`
R
gaya F
W = (2 π .nrev.)xT
nrev = jumlah putaran
Torsi ( T ) = F x R
Gambar 1.9 Energi mekanik pergeseran rotasi ( angular)
T=FxR
W = FxS dengan S =2 π r.nrev dan F =
T
, maka
r
T
2 π r.nrev = (2 π .nrev.)xT ( KERJA MEKANIK POROS)
r
dimana nrev = adalah jumlah putaran
W=
kerja poros
kerja poros
pompa propeler
pompa sentrifugal
Turbin air
kerja poros
kerja poros
mobil
Ganbar 1.10 Mesin-mesin konversi energi dengan kerja poros
9
Energi mekanik PUTARAN POROS adalah yang paling sering digunakan untuk
perhitungan mesin mesin konversi energi, karena hampir sebagian besar mesin mesin
konversi adalah mesin-mesin rotari. Alasan pemilihan gerak putaran poros mesin (mesin
rotari) sebagai transfer energi atau kerja dibanding dengan putaran bolak-balik (
reciprocating) adalah karena gerak rotari mempunyai efisiensi mekanik yang tinggi,
getaran rendah, dan tidak banyak memerlukan komponen mesin yang rumit. Energi atau
kerja langsung bisa ditransfer atau diterima perlatan tanpa perlatan tambahan. Sebagai
perbandingan mesin rotari adalah mesin reciprocating yaitu motor bakar. Pada gambar
adalah skema mesin motor bakar dengan gerakan bolak baliknya.
4. Energi adalah kekal, tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan.
F. Hukum termodinamika
F.1 Hukum termodinamika I
Hukum pertam termodinamika adalah hukum konversi energi, hukum ini
menyatakan bahwa ENERGI TIDAK DAPAT DICIPTAKAN ATAU DILENYAPKAN, energi
hanya dapat diubah dari bentuk satu kebentuk lainnya
∆Q
Emasuk
EP2
EK2
ED2
EA2
EP1
EK1
ED1
EA1
Ekeluar
∆W
Gambar 1.11 Dinamika perubahan energi pada suatu benda kerja
Hukum pertama Termodinamika dapat ditulis sebagai berikut ;
EP1 + EK1 + ED1 + EA1 + ∆Q = EP2 + EK2 + ED2 + EA2 + ∆W
Untuk sistem terbuka dimana ada pertukaran energi dan massa dari sitem kelingkungan
atau sebaliknya, maka persamaan energi diatas dapat dijabarkan sebagai berikut
mgZ 1 + m
V12
V2
+ [U 1 + p1V1 ] + ∆Q = mgZ 2 + m 2 + [U 2 + p 2V2 ] + ∆W
2
2
dengan [ pV + U] = H dapat dituliskan kembali menjadi
mgZ1 + m
V12
V2
+ H1 + ∆Q = mgZ 2 + m 2 + H 2 + ∆W
2
2
E masuk = mgZ1 + m
E kelua = mgZ 2 + m
10
V12
+ H 1 + ∆Q
2
V22
+ H 2 + ∆W
2
Jadi Hukum termo pertama dapat diutuliskan secara sederhana dengan persamaan
berikut (untuk sistem terbuka)
E masuk = E keluar
atau
∆EP + ∆EK + ∆H + ∆Q = ∆W
Emasuk
Ekeluar
Gambar 1.12 Proses perubahan energi pada sistem terbuka
Jika Hukum termodinamika pertama dituliskan secara sederhana untuk sistem
tertutup, dimana massa tidak dapat melintas batas sistem, maka suku suku EP, EK dan
EA dapat dihilangkan dari persamaan. Persamaan dapat ditulis kembali mejadi
∆EP + ∆EK + ∆pV + ∆Q = ∆W + ∆U
∆Q = ∆W + ∆U
Jadi untuk sistem tertutup persamaannya menjadi ∆Q = ∆W + ∆U
∆W
∆U
∆Q
Gambar 1.13 Proses perubahan energi pada sistem tertutup
11
BAB 2 DASAR MOTOR BAKAR
Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin penggerak yang banyak dipakai
Dengan memanfaatkan energi kalor dari proses pembakaran menjadi energi mekanik.
Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang proses pembakarannya terjadi
dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus sebagai
fluida kerjanya. Mesin yang bekerja dengan cara seperti tersebut disebut mesin
pembakaran dalam. Adapun mesin kalor yang cara memperoleh energi dengan proses
pembakaran di luar disebut mesin pembakaran luar. Sebagai contoh mesin uap, dimana
energi kalor diperoleh dari pembakaran luar, kemudian dipindahkan ke fluida kerja melalui
dinding pemisah.
Keuntungan dari mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin
pembakaran luar adalah kontruksinya lebih sederhana, tidak memerlukan fluida kerja
yang banyak dan efesiensi totalnya lebih tinggi. Sedangkan mesin pembakaran luar
keuntungannya adalah bahan bakar yang digunakan lebih beragam, mulai dari bahan
bakar padat sampai bahan-bakar gas, sehingga mesin pembakaran luar banyak dipakai
untuk keluaran daya yang besar dengan banan bakar murah. Pembangkit tenaga listrik
banyak menggunakan mesin uap. Untuk kendaran transpot mesin uap tidak banyak
dipakai dengan pertimbangan kontruksinya yang besar dan memerlukan fluida kerja yang
banyak
2.2. Siklus 4 Langkah dan 2 Langkah
A. Siklus 4 langkah
Motor bakar bekerja melalui mekanisme langkah yang terjadi berulang-ulang atau
periodik sehingga menghasilkan putaran pada poros engkol. Sebelum terjadi proses
pembakaran di dalam silinder, campuran udara dan bahan-bakar harus dihisap dulu
dengan langkah hisap [1]. Pada langkah ini, piston bergerak dari TMA menuju TMB, katup
isap terbuka sedangkan katup buang masih tertutup.
Setelah campuran bahan-bakar udara masuk silinder kemudian dikompresi dengan
langkah kompresi [2], yaitu piston bergerak dari TMB menuju TMA, kedua katup isap dan
buang tertutup. Karena dikompresi volume campuran menjadi kecil dengan tekanan dan
temperatur naik, dalam kondisi tersebut campuran bahan-bakar udara sangat mudah
terbakar. Sebelum piston sampai TMA campuran dinyalakan terjadilah proses
pembakaran menjadikan tekanan dan temperatur naik, sementara piston masih naik terus
sampai TMA sehingga tekanan dan temperatur semakin tinggi. Setelah sampai TMA
kemudian torak didorong menuju TMB dengan tekanan yang tinggi, katup isap dan buang
masih tertutup.
Selama piston bergerak menuju dari TMA ke TMB yang merupakan langkah kerja
[3] atau langkah ekspansi. volume gas pembakaran bertambah besar dan tekanan
menjadi turun. Sebelum piston mencapai TMB katup buang dibuka, katup masuk masih
tertutup. Kemudian piston bergerak lagi menuju ke TMA mendesak gas pembakaran
keluar melalui katup buang.
Proses pengeluaran gas pembakaran disebut dengan langkah buang [4]. Setelah
langkah buang selesai siklus dimulai lagi dari langkah isap dan seterusnya. Piston
bergerak dari TMA-TMB-TMA-TMB-TMA membentuk satu siklus. Ada satu langkah
tenaga dengan dua putaran poros engkol. Motor bakar yang bekerja dengan siklus lenkap
tersebut diklasifikasikan masuk golongan motor 4 langkah.
12
A
b. bakar+
udara
TMA
1
penyalaan
gas buang
TMA
campuran
bb+udara
3
2
4
TMB
TMB
isap
kompresi
tenaga
buang
MESIN OTTO
A
udara
injeksi fuel
+ pembakaran
gas buang
udara
isap
kompresi
tenaga
buang
MESIN DISEL
Gambar 2.7 Proses kerja mesin 4 langkah Otto dan Disel
B. Siklus 2 langkah
Langkah pertama setelah terjadi pembakaran piston bergerak dari TMA menuju
TMB melakukan ekspansi, lubang buang mulai terbuka. Karena tekanan didalam silinder
lebih besar dari lingkungan, gas pembakaran keluar melalui lubang buang. Piston terus
begerak menuju TMB lubang buang semakin terbuka dan saluran bilas mulai terbuka.
Bersamaan dengan kondisi tersebut tekanan didalam karter mesin lebih besar daripada di
dalam silinder sehingga campuran bahan bakar udara menuju silinder melalui saluran
bilas sambil melakukan pembilasan gas pembakaran. Proses ini disebut pembilasan,
proses ini berhenti pada waktu piston mulai begerak dari TMB menuju TMA dengan
lubang buang dan saluran bilas tertutup.
Langkah kedua setelah proses pembilasan selesai, campuran bahan -bakar masuk
kedalam silinder kemudian dikompresi, posisi piston menuju TMA. Sesaat sebelum piston
sampai di TMA campran bahan-bakar dan udara dinyalakan sehingga terjadi proses
pembakaran. Siklus kembali lagi ke proses awal seperti diuraikan diatas.
Dari uraian diatas terlihat piston melakukan dua kali langkah yaitu dari :
[1] TMA menuju TMB ; proses yang terjadi ekspansi, pembilasan ( pembuangan dan
pengisian)
[2] TMB menuju TMA ; prose yang terjadi kompresi, penyalaan pembakaran
Keuntungan dan kekuranag siklus 4 langkah dan 2 langkah dapat dilihat dari tabel berikut
ini
13
TMA
lubang buang
1
fuel dan udara
TMB
katup masuk
tenaga
buang
isap dan pembilasan
TMA
2
kompresi
TMB
fuel dan udara
penyalaan
Gambar 2.8 Proses kerja 2 langkah
saringan udara
karburator
Batang nok
Mekanik katup
Pengatur hidrolik
Katup masuk
Sproket batang
nok
Katup buang
torak
Batang torak
Timing belt
Timing belt
tensor
Crankshaft
Pompa oli
Sproket
Penampung
poros engkol oli
Gambar 2.11 Komponen utama pembangkit energi mesin multi silinder
14
BAB 3 SIKLUS MOTOR BAKAR
3.1. Siklus Termodinamika Motor Bakar
Analisa siklus termodinamika sangat penting untuk mempelajari motor bakar.
Proses kimia dan termodinamika yang terjadi pada motor bakar sangatlah rumit untuk
dianalisis. Jadi diperlukan suatu siklus yang diidealkan sehingga memudahkan untuk
menganalisa motor bakar. Siklus yang diidealkan tentunya harus mempunyai kesamaan
dengan siklus sebenarnya. Sebagai contoh kesamaannya adalah urutan proses, dan
perbandingan kompresi. Di dalam siklus aktual, fluida kerja adalah campuran bahanbakar udara dan produk pembakaran, akan tetapi di dalam siklus yang diidealkan
fluidanya adalah udara. Jadi siklus ideal bisa disebut dengan siklus udara.
A. Siklus udara ideal
Penggunaan siklus ini berdasarkan beberapa asumsi adalah sebagai berikut
1. Fluida kerja dianggap udara sebagai gas ideal dengan kalor sepesifik konstan (tidak
ada bahan bakar)
2. Langkah isap dan buang pada tekan konstan
3. Langkah kompresi dan tenaga pada keadaan adiabatis
4. Kalor diperoleh dari sumber kalor dan tidak ada proses pembakaran atau tidak ada
reaksi kimia
Siklus udara pada motor bakar yang akan dibahas adalah
1. Siklus udara pada volume konstan ( Siklus Otto)
2. Siklus udara pada tekanan kostan ( Siklus Disel)
3. Siklus udara tekanan terbatas.( Siklus gabungan )
A.1. Siklus udara volume konstan
Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan
sering disebut dengan siklus ledakan ( explostion cycle) karena secara teoritis proses
pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan tekanan yang tiba-tiba.
Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan loncatan bunga api. Nikolaus
August Otto menggunakan siklus ini untuk membuat mesin sehingga siklus ini sering
disebut dengan siklus otto
Gambar 3.1 adalah diagram p-v untuk siklus ideal otto. Adapun urutan prosesnya
adalah sebagai berikut
[1] Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.
[2] Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis
Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor
pada volume kostan.
[3] Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis
Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konsatan
[4] Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan, gas pembakaran
dibuang lewat katup buang
15
TMA
udara
TMB
udara
udara
udara
Isentropik
kompresi
p =konstan
penambahan panas
Isentropik
ekspansi
Gambar 3.1 Siklus udara volume konstan
16
p =konstan
pembuangan panas
A.2. Siklus udara tekanan konstan
udara
udara
udara
udara
Isentropik
kompresi
p =konstan
penambahan panas
Isentropik
ekspansi
p =konstan
pembuangan panas
Gambar 3.2 Siklus Udara Tekanan Konstan
Siklus ideal tekanan kostan ini adalah siklus untuk mesin diesel. Gambar 3.2 adalah
diagram p-v untuk siklus ideal Disel. Adapun urutan prosesnya adalah sebagai berikut
[1] Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.
[2] Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis
Proses pembakaran tekanan konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor
pada tekanan konstan.
[3] Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis
Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konsatan
[4] Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan
Dapat dilihat dari urutan proses diatas bahwa pada siklus tekanan kostan
pemasukan kalornya pada tekanan kostan berbeda dengan siklus volume konstan yang
proses pemasukan kalornya pada kondisi volume konstan. Siklus tekanan konstan sering
disebut dengan siklus diesel. Rudolf Diesel yang pertama kali merumuskan siklus ini dan
sekaligus pembuat pertama mesin diesel. Proses penyalaan pembakaran tejadi tidak
menggunakan busi, tetapi terjadi penyalaan sendiri karena temperatur didalam ruang
bakar tinggi karena kompresi.
17
MESIN OTTO
Gambar 3.3 Mesin otto dan mesin disel
A.3. Siklus udara gabungan
injeksi
fuel
udara
I
gas buang
udara
Qin
udara
Qin
Qout
TMA
TMB
pemasukan Q
volume konstan
pemasukan Q
tekanan konstan
Gambar 3.4 Siklus gabungan
18
Perbedaan dari dua siklus yang telah diuraikan sebelumnya, yaitu pada proses
pembakaran dimana kalor dianggap masuk sistem. Sedangkan pada siklus yang ketiga
yaitu siklus gabungan, proses pemasukan kalornya menggunakan dua cara yaitu
pemasukan kalor volume konstan dan tekanan konstan. Dari cara pemasukan kalornya
terlihat bahwa siklus ini adalh gabungan antara siklus volume konstan dan tekanan
konstan, karena itu siklus ini sering disebut siklus gabungan Diagramnya p-v dapat dilihat
dari gambar
B. Siklus aktual
akhir pembakaran
penyalaan
katup buang terbuka
katup isap terbuka
langkah buang
langkah isap
Gas buang
langkah kompresi
langkah tenaga
langkah buang
Campuran udara
+ bahan bakar
langkah isap
Gambar 3.5 Siklus aktual otto
Pada gambar 3.5 diatas adalah siklus aktual dari mesin otto. Fluida kerjanya adalah
campuran bahan bakar udara, jadi ada proses pembakaran untuk sumber panas. Pada
langkah hisap, tekanannya lebih rendah dibandingkan dengan langkah buang. Proses
pembakaran dimulai dari penyalaan busi (ignition) sampai akhir pembakaran. Proses
kompresi dan ekspasi tidak adiabatis, karena terdapat kerugian panas yang keluar ruang
bakar.
19
pembakaran
injeksi fuel
tenaga
kompresi
katup buang
tertutup
katup buang
terbuka
buang
katup masuk
tertutup
hisap
Gas buang
udara
plug
fuel udara
pemabakara
n
udara
langkah kompresi
langkah buang
langkah tenaga
langkah hisap
Gambar 3.6 Siklus aktual dari mesin diesel.
Pada gambar 3.6 diatas adalah siklus aktual dari mesin diesel. Alasan yang sama
dengan mesin, dengan perbeadaan pada disel pada langkah isap hanya udara saja,
bahan bakar diseprotkan melalui nosel di kepala silinder. Proses pembakaran untuk
menghasilkan panas karena kompresi, atau pembakaran kompresi.
3.2. Menghitung Efiseinsi Siklus Udara Ideal
Qmasuk
mesin motor
bakar
Wberguna = Qmasuk-Qkeluar
η=
Wberguna
Qmasuk
=
Qmasuk − Qkeluar
Qmasuk
Qkeluar
Gambar 3.7 Bagan efisiensi kerja dari motor bakar
20
Dari hukum termodinamika II dapat diketahui bahwa tidak mungkin membuat suatu
mesin yang bisa merubah semua energi yang masuk menjadi kerja semuanya. Dengan
kata lain, harus ada sebagain energi yang kebuang ke lingkungan. Jadi, kerja yang
berguna adalah pengurangan dari jumlah energi yang masuk dengan energi yang
terbuang. Perbandingan antara kerja berguna dengan jumlah energi yang masuk ke
mesin adalah definisi dari efisiensi.
A. Efesiensi dari siklus Otto
Pada gambar 3.2 diagram p-v untuk siklus otto, dari gambar bisa dianalisa untuk
menghitung efesiensi siklus sebagai berikut. Energi kalor yang masuk pada volume
kostan adalah sebesar
Qm = mcv ∆T .
Qm = mcv (T3 − T2 )
dengan Qm = adalah kalor masuk
m = massa fluida
cv = panas jenis pada volume konstan
∆T = perbedaan temperatur
Energi yang keluar sistem pada volume konstan adalah
Ql = mcv ∆T
Ql = mcv (T4 − T1 )
dengan Ql = adalah kalor keluar
m = massa fluida
cv = panas jenis pada volume konstan
∆T = perbedaan temperatur
Definisi dari efisiensi yaitu kerja berguna dibagi dengan energi kalor masuk
η=
W kerja berguna
=
Qm kalor masuk
η=
Qm − Ql mcv (T3 − T2 ) − mcv (T4 − T1 )
=
mcv (T3 − T2 )
Qm
η=
(T4 − T1 ) 1 − T1
=
(T3 − T2 )
T2
Apabila rasio kompresi didefinisikan sebagi perbandingan anata volume silinder
dibagi dengan volume ruang bakarnya yaitu
r=
V + Vs
volume silinder
= l
volume ruang bakar
Vs
maka rumusan efesiensi diatas bisa dituliskan sebagai η = 1 −
1
(r )k −1
B. Efisiensi siklus tekanan konstan
Dengan definisi yang sama untuk raso kompresi, efisiensi dari siklus tekanan
konstan adalah sebagai berikut
21
η=
1 ⎛ β k −1 ⎞
⎜
⎟
r k −1 ⎜⎝ k (β − 1) ⎟⎠
rasio kompresi
diesel
rasio kompresi r
Gambar 3.9 Grafik efisiensi terhadap rasio kompresi mesin disel
Dengan menaikan rasio kompresi efisiensi siklus tekanan konstan atau diesel
semakin naik. Kenaikan rasio kompresi berarti tekanan kompresi juga tinggi sehingga
material yang dibutuhkan harus lebih kuat. Pada rasio kompresi yang sama efisiensi
mesin otto lebih tinggi dibandingkan dengan mesin diesel, akan tetapi mesin otto tidak
bekerja pada rasio kompresi disel karena terlalu tinggi
22
BAB 4 PRESTASI MESIN
Motor bakar adalah suatu mesin yang mengkonversi energi dari energi kimia yang
terkandung pada.bahan bakar menjadi energi mekaik pada poros motor bakar. Jadi daya
yang berguna akan langsung dimamfaatkan sebagai penggerak adalah daya pada poros.
Proses perubahan energi dari mulai proses pembakaran sampai menghasilkan daya pada
poros motor bakar melewati beberapa tahapan dan tidak mungkin perubahan energinya
100%. Selalu ada kerugian yang dihasikan dari selama proses perubahan, hal ini sesuai
dengan hukum termodinamika kedua yaitu "tidak mungkin membuat sebuah mesin yang
mengubah semua panas atau energi yang masuk memjadi kerja". Jadi selalu ada
"keterbatasan" dan "keefektifitasan" dalam proses perubahan, ukuran inilah yang
dinamakan efisiensi.
Kemampuan mesin motor bakar untuk merubah energi yang masuk yaitu bahan
bakar sehingga menghasilkan daya berguna disebut kemampuan mesin atau prestasi
mesin. Pada gambar 4.1 adalah penggambaran proses perubahan energi bahan bakar.
25% daya berguna
100% energi
bahan bakar
5% gesekan dan asesoris
30% pendingin
40% gas buang
Gambar 4.1 Keseimbangan energi pada motor bakar
Pada motor bakar tidak mungkin mengubah semua energi bahan bakar menjadi
daya berguna. Dari gambar terlihat daya berguna bagiannya hanya 25% yang artinya
mesin hanya mampu menghasilkan 25% daya berguna yang bisa dipakai sebagai
penggerak dari 100% bahan bakar. Energi yang lainnya dipakai untuk menggerakan
asesoris atau peralatan bantu, kerugian gesekan dan sebagian terbuang ke lingkungan
sebagai panas gas buang dan melalui air pendingin.
4.2. Torsi dan daya mesin
Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah
suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa digunakan untuk
menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang berputar pada porosnya. Adapun
perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Apabila suatu benda berputar dan
23
mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berpuar pada porosnya dengan jari
jari sebar b, dengan data tersebut torsinya adalah
T = Fxb (N.m)
dengan T = Torsi benda berputar (N.m)
F = adalah gaya sentrifugal dari benda yang berputar (N)
b = adalah jarak benda ke pusat rotasi (m)
Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar terhadap porosnya,
dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan torsi dengan besar sama dengan
arah yang berlawanan.
b
F
b
Stator
gaya F
Rotor
n
-F
beban w
Gambar 4.5 Skema pengukuran torsi
Pada motor bakar untuk mengetahui daya poros harus diketahui dulu torsinya.
Pengukuran torsi pada poros motor bakar menggunakan alat yang dinamakan
Dinamometer. Prinsip kerja dari alat ini adalah dengan memberi beban yang berlawanan
terhadap arah putaran sampai putaran mendekati o rpm, Beban ini nilainya adalah sama
dengan torsi poros. Dapat dilihat dari gambar 4.5 adalah prinsip dasar dari dinamometer.
Dari gambar diatas dapa dilihat pengukuran torsi pada poros ( rotor) dengan prisip
pengereman dengan stator yang dikenai beban sebesar w. Mesin dinyalakan kemudian
pada poros disambungkan dengan dinamometer. Untuk megukur torsi mesin pada poros
mesin diberi rem yang disambungkan dengan w pengereman atau pembebanan.
Pembebanan diteruskan sampai poros mesin hampir berhenti berputar. Beban maksimum
yang terbaca adalah gaya pengereman yang besarnya sama dengan gaya putar poros
mesin F. Dari definisi disebutkan bahwa perkalian antara gaya dengan jaraknnya adalah
sebuah torsi, dengan difinisi tersebut Tosi pada poros dapat diketahui dengan rumus
T = wxb (Nm)
dengan T = adalah torsi mesin (Nm)
w = adalah beban (kg)
b = adalah jarak pembebanan dengan pusat perputaran
Pada mesin sebenarnya pembebanan adalah komponen-komponen mesin sendiri
yaitu asesoris mesin ( pompa air, pompa pelumas, kipas radiator), generator listrik (
pengisian aki, listrik penerangan, penyalan busi), gesekan mesin dan komponen lainnya.
Dari perhitungan torsi diatas dapat diketahui jumlah energi yang dihasikan mesin
pada poros. Jumlah energi yang dihasikan mesin setiap waktunya adalah yang disebut
dengan daya mesin. Kalau energi yang diukur pada poros mesin dayanya disebut daya
poros
24
4.3. Perhitungan daya mesin
Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam silinder dan
biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut dikenakan pada torak yang
bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi didalam silinder mesin, terjadi perubahan
energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik
pada torak.
Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin
untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponenkomponen yang saling berkaitan satu dengan lainnya membentuk kesatuan yang
kompak. Komponen-komponen mesin juga merupakan beban yang harus diatasi daya
indikator. Sebagai contoh pompa air untuk sistim pendingin, pompa pelumas untuk sistem
pelumasan, kipas radiator, dan lain lain, komponen ini biasa disebut asesoris mesin.
Asesoris ini dianggap parasit bagi mesin karena mengambil daya dari daya indikator.
Disamping komponen-komponen mesin yang menjadi beban, kerugian karena
gesekan antar komponen pada mesin juga merupakan parasit bagi mesin, dengan alasan
yang sama dengan asesoris mesin yaitu mengambil daya indikator. Seperti pada gambar
4.1 terlihat bahwa daya untuk meggerakan asesoris dan untuk mengatsi gesekan adalah
5% bagian.
Untuk lebih mudah pemahaman dibawah ini dalah perumusan dari masing masing
daya. Satuan daya menggunakan HP( hourse power )
N e = N i − (N g + N a ) ( HP)
dengan Ne
Ni
Ng
Na
= adalah daya efektif atau daya poros ( HP)
= adalah daya indikator ( HP)
= adalah kerugian daya gesek ( HP)
= adalah kerugian daya asesoris ( HP)
4.4. Efisiensi Mesin
Efisiensi mesin menggambarkan tingkat efektifitas mesin bekerja. Secara alamiah
setiap proses memerlukan energi, menghasilkan kerja untuk melakukan proses,
kemudian ada energi yang harus dibuang. Seperi manusia yang harus makan untuk
melakukan aktifitas kerja, selanjutnya secara alamiah harus ada yang dibuang. Apabila
proses ini tidak berjalan semestinya, manusia dinyatakan dalam keadaan sakit dan tidak
bisa melakukan kerja. Dalam kondisi ini seandainya manusia adalah mesin maka
manusia dalam keadaan rusak.
Konsep efisiensi menjelaskan bahwa perbandingan antar energi berguna dengan
energi yang masuk secara alamiah tidak pernah mencapai 100%. Pada motor bakar ada
beberapa definisi dari efisiensi yang menggambarkan kondisi efektifitas mesin bekerja,
yaitu
1.
2.
3.
4.
Efisiensi termal
Efisiensi termal indikator
Efisiensi termal efektif
Efisiensi mekanik
A. Efisiensi termal
Efisiensi termal adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan
perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi berguna
adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. Jadi efisiensi termal
dirumuskan dengan persamaan :
25
η=
Energi berguna
Energi masuk
B. Efisiensi termal indikator
Efisiensi termal indikator adalah efisiesi termal dari siklus aktual diagram indikator.
Energi berguna dari diagram indikator adalah kerja indikator dan energi masuknya adalah
energi dari proses pembakaran perkilogramnya. Perumusannya adalah sebgai berikut
ηi =
Energi berguna
daya indikator
=
Energi masuk
laju energi kalor masuk per kg
ηi =
Ni
•
Qm
Karena efisiensi termal indikator adalah pada siklus aktual maka fluidanya adalah
bahan bakar dengan udara, sehingga perhitungan energi akor adalah sebagai berikut
•
•
ηi =
Q m = G f xQc
Ni
ηi =
•
Qm
ηi =
Ni
•
G f xQc
Prata − rata ,i xVd xnxaxz
•
G f xQc
dengan N i
= Daya indikator (watt)
•
Qm
= laju kalor masuk per kg bahan bakar ( kcal/kg.jam)
•
= laju bahan bakar yang digunakan (kg/jam)
Gf
Qc
= Nilai kalor bahan bakar per kcal/kg
C. Efisiensi termal efektif
Efisiensi termal efektif adalah perbandingan daya poros atau daya efektif dengan laju
kalor masuknya. Perumusannya adalah sebagai berikut
ηe =
ηe =
N
daya poros
= •e
laju energi kalor masuk per kg Q
m
Ne
•
;
G f xQc
ηi =
Prata − rata ,e xVd xnxaxz
•
G f xQc
D. Efisiensi mekanik
Semua beban mesin diatasi dengan sumber energi dari proses pembakaran yang
menghasilkan energi mekanik. Energi mekanik yang terukur pada diagram indikator
adalah kerja indikato. Kerja indikator persatuan waktu inilah yang akan dtransfer mejadi
kerja poros persatuan waktu. Adapun besarnya nilai efektifitas dari transfer daya indikator
menjadi daya poros adalah efisiensi mekanis. Jadi efisiensi mekanis adalah perbandingan
antara daya poros dengan daya indikator dan dirumuskan dengan persamaan sebagai
berikut.
ηm =
26
Ne
Ni
Ne
Apabila η e =
dan η i =
•
Qm
Ni
•
Qm
maka dua persamaan tersebut disubsitusikan pada η m =
Ne
Ni
ηe
jadi jelas bahwa daya poros yang dihasilkan dari daya indikator harus
ηi
η e = η m xη i
dikalikan dengan efisiensi mekaniknya.
menjadi η m =
E. Efisiensi volumetrik
Udara yang dihisap masuk silinder selalu banyak mengalami hambatan aliran
sehingga aliran udara banyak kehilangan energi, disamping itu udara hisap juga
menyerap panas dari saluran hisap terutama pada ujung saluran hisap yang ada katup
masuknya. Karena menyerap panas temperatur udara menjadi naik dan menyebabkan
massa jenis turun tetapi menaikkan nilai viskositasnya. Dengan kondisi tersebut udara
lebih sulit mengalir dengan massa per satuan volumenya juga berkurang. Untuk
mendefinisikan jumlah udara yang masuk ke ruang silinder dirumuskan ukuran keefektifan
aliran udaran masuk yaitu efisiensi volumetri. Perumusannya adalah sebagai berikut:
o
ηv =
Ga
o
=
Gai
o
ηv =
Ga
o
jumlah udara masuk kedalam silinder aktual(kg/jam )
jumlah udara masuk kedalam silinder ideal(kg/jam)
o
=
Gai
γa
o
γ ai
dengan γ = massa jenis udara (kg/m3)
Hubungan efisiensi volumetrik dengan tekanan rata-rata efektif adalah:
Perata − rata = η e .η v . f .Qc .γ ai .0,0427 kg/cm2
dengan f = perbandingan bahan bakar udara
o
f =
Gf
o
=
Ga
jumlah bahan bakar yang digunakan kg/jam
jumlah udara yang digunakan kg/jam
dari perumusan di atas terlihat bahwa tekanan efektif rata-rata bergantung dari nilai dari
ηv .
F. Laju Pemakaian Bahan Bakar Spesifik
Laju pemakaian bahan bakar spesifik atau spesific fuel consumtion (SFC) adalah
jumlah bahan bakar (kg) per waktunya untuk menghasikan daya sebesar 1 Hp. Jadi SFC
adalah ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar. Perhitungan untuk mngetahui SFC
adalah:
o
SFC e =
Gf
ηe =
Ne
Ne
•
G f xQc
η e xQc =
Ne
•
Gf
o
Gf
1
=
= SFC
η e xQc N e
27
BAB 5 DASAR TURBIN GAS
Turbin gas adalah sebuah mesin panas pembakaran dalam, proses kerjanya seperti
motor bakar [gambar 5.1] yaitu udara atmosfer dihisap masuk kompresor dan dikompresi,
kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan dipakai untuk proses pembakaran,
sehingga diperoleh suatu energi panas yang besar, energi panas tersebut diekspansikan
pada turbin dan menghasilkan energi mekanik pada poros, sisa gas pembakaran yang
keluar turbin menjadi energi dorong (turbin gas pesawat terbang). Jadi, jelas bahwa turbin
gas adalah mesin yang bisa mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau
dorong.
Persamaan turbin gas dengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya
yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu
hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada
kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating)
sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap
(intermiten), untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak
pernah dipakai untuk gaya dorong.
HISAP
KOMPRESI
I
HISAP
I
KOMPRESI
PEMBAKARAN
PEMBAKARAN
BUANG
BUANG
Gambar 5.1 Mesin pembakaran dalam ( turbin gas dan motor bakar)
Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap
kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar
yang prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap, kompresi,
pembakaran, ekspansi dan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling
bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan
energi dari energi panas mejadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada
motor bakar pada langkah ekspansi terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi
mekanik gerak bolak-balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus
tidak banyak getaran.
28
disel
turbin gas
saluran masuk
bahan bakar
sudu
kompresor
roda gigi pemindah
reduksi
ruang bakar dengan
aliran udara pendingin
sudu turbin
saluran gas buang
difuser
poros mesin
saluran masuk
udara hisap
Gambar 5.2 Perbandingan turbin gas dan mesin disel
Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet [gambar 5.1], mesin
automotiv, tenaga pembangkit listrik [gambar 5.2], atau penggerak peralatan-peralatan
industri seperti penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasilkan turbin gas mulai
dari 250000 HP untuk pembangkit listrik sampai 5 HP pada turbocharger pada mesin
motor.
Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil
bisa menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 5.2 adalah turbin gas
yang biasa dipakai untuk penggerak generator lisitrik keci. Generator ini banyak dipakai
untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan
kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung gedung perkantoran, rumah sakit, universitas,
perusahaan dan lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan
dengan penggunaan generator penggerak disel, dengan penggerak turbin gas ukurannya
menjadi lebih kecil, sehingga bisa menghemat tempat dan mudah dipindahkan.
Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin
dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil.
Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan
yang tepat , dan tidak bisa digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan
listrik turbin gas sangat menguntungkan karena mesin mudah diinstal, operasinya tidak
ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar
29
5.2. Dasar Kerja Turbin Gas
Pada gambar 5.5 adalah salah satu mesin turbin gas pesawat terbang, adapun
cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starter dinyalakan, kompresor berputar dan
mulai bekerja menghisap udara sekitar, udara kemudian dimampatkan. Udara pada tahap
pertama dimampatkan dahulu pada kompresor tekanan rendah, diteruskan kompresor
tekanan tinggi. Udara mampat selanjutnya masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan
bakar yang sudah disemprotkan. Campuran bahan bakar udara mampat kemudian
dinyalakan dan terjadi proses pembakaran. Gas hasil proses pembakaran berekspansi
pada turbin, terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin,
sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong. Setelah memberikan sisa gaya
dorongnya, gas hasil pembakaran keluar melalu saluaran buang. Dari proses kerja turbin
gas pesawat terbang tersebut, dihasilkan daya turbin yang digunakan untuk menggerakan
kompresor, menghasikan daya dorong, dan menggerakan peralatan bantu lainnya.
kompreasor tekanan
rendah dan tinggi
ruang bakar
turbin
gaya dorong
trust
poros
saluran bahan bakar
Terlihat pada gambar disamping
turbin gas dipasang pada sayap
pesawat terbang untuk menghasilkan
daya dorong. Turbin gas harus ringan,
daya besar dan tingkat keberhasilan
selama beroperasi harus 100%
turbin gas
Gambar 5.5 Turbin gas pesawat terbang
Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 5.6, cara kerjanya sama
dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor,
udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan
temperatur dan tekanan yang cukup tinggi ( 200 0C, 6 bar) mengalir masuk ruang bakar,
bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian
dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas
pembakaran dengan temperatur tinggi ( 6 bar, 750 0C ) berekspansi pada turbin, sehingga
terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas
pembakaran setelah berekspansi di turbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya,
turbin gas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak
kompresor dan generator listrik.
30
bahan bakar
ruang bakar
udara pendingin
ruang bakar
poros turbin
Motor starter
transmisi
sudu turbin
sudu kompresor
udara segar (baru),
0
1bar 15 C
poros turbin
kompresor
ruang bakar
gas bekas 1
0
bar,380 C
turbin
Gambar 5.6 Turbin gas untuk industri ( pembangkit listrik)
Dari uraian cara kerja turbin gas diatas, dapat disebutkan komponen komponen
mesin turbin gas yang penting, yaitu kompresor, ruang bakar, dan turbin. Jadi, daya yang
dihasilkan turbin tidak hanya menggerakan beban, yaitu generator listrik, tetapi juga harus
menggerakan kompresor.
5.4. Proses Pembakaran
Pada gambar 5.6, dapat dilihat dari kotruksi komponen ruang bakar, apabila
digambarkan ulang dengan proses pembakaran adalah sebagai berikut
zona primer
nosel bahan bakar
swirel udara
zona sekunder
zona pencampuran
aliran udara primer
udara mampat
kompresor
gas
pembakaran
ke turbin
aliran udara sekunder dan
pendingin
Gambar 5.7 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas
31
Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin disel,
yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut,
udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu
udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara
mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang
bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar kemudian
disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran.
Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini
menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.
Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar
akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan
menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses
pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang
bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan
temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara
pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak
melebihi dari yang diijinkan.
Pada gambar 5.7 diatas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dillute
zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian
udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas
pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai
sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder
juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa
yang lebih besar energi potensial gas pembakran juga bertambah. Apabila Wkinetik adalah
energi kinetik gas pemabakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara
sekunder adalah m1 maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut
Wkinetik ,1 =
m1 xV 2
2
dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi
Wkinetik , 2 =
(m1 + m2 )xV 2
2
jadi dapat dilihat Wkinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari Wkinetik,1 ( tanpa udara
sekunder).
Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara
yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran
dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara
pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses
pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang
bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah
udara kurang dari normal, yaitu terjadi overheating, material ruang bakar dan sudu-sudu
turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin
gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.
32
BAB 6 SIKLUS TERMODINAMIKA TURBIN GAS
Turbin gas merupakan suatu mesin yang bekerja mengikuti siklus termodinamik
Brayton. Adapun siklus termodinamikanya pada diagram p-v dan t-s adalah sebagai
berikut [gambar 6.1]:
T K
p atm
p2 = konstan
2
[B]
p2 = konstan
3
3
[C]
p1 = konstan
[B]
[C]
[A]
4
2
p1 = konstan
1
4
[D]
[D]
[A]
1
v m3
diagram p-v
diagram t-s
s
Gambar 6.1 Diagram p-v dan T-s
Urutan proses kerja sistem turbin gas [gambar 6.2] adalah :
1-2
2-3
3-4
4-1
Proses kompresi adiabatis udara pada kompresor, tekanan udara naik [A]
Proses pembakaran campuran udara dan bahan-bakar pada tekanan konstan,
dihasilkan panas pada ruang bakar [B]
Proses ekspansi adiabatis gas pembakaran pada turbin dihasilkan
kerja turbin berupa putaran poros dan gaya dorong, tekanan turun [C]
Proses pembuangan kalor pada tekanan konstan [D]
Dari diagram T-S dapat dilihat setelah proses kompresi pada kompresor temperatur
naik yaitu T2 dari tempertur atmosfer T1 dan tekanan naik dari p1 menjadi p2, tempertur
dan tekanan ini diperlukan untuk proses pembakaran. Setelah bahan bakar disemprotkan
dan bercampur dengan udara mampat didalam ruang bakar dan dinyalakan, terjadi
proses pembakaran, temperatur naik lagi sampai T3. Temperatur T3 adalah temperatur
gas pembakaran yang akan masuk turbin, temperatur ini dibatasi oleh ketahan material
turbin pada suhu tinggi. Setelah proses ekspansi pada turbin, temperatur gas sisa
menjadi turun sampai T4 dan temperatur gas sisa ini masih tinggi diatas temperatur T1.
1.1. Klasifikasi Turbin Gas
Ada banyak tipe turbin gas, tetapi dengan prinsip kerja yang sama, yaitu mengikuti
siklus Bryton. Siklus tersebut adalah siklus dasar yang menjadi patokan dalam
perancangan turbin gas . Secara teoritis kelihatan tidak ada kesulitan, tetapi pada
kenyataannya, pembuatan turbin gas menemui banyak kesukaran, terutama yang
berhubungan dengan efisiensi pemakaian bahan bakar dan ketersedian material yang
bekerja pada temperatur tinggi. Dengan berbagai alasan dan tujuan, banyak tipe turbin
gas yang dikembangkan. Adapun beberapa alasan tersebut adalah
33
1. Pemakaian bahan bakar harus lebih bervariasi tidak hanya untuk bahan bakar cair
dan gas saja atau untuk mencegah singgungan fluida kerja dengan lingkungan,
khususnya untuk bahan bakar nuklir. Untuk keperluan tersebut, dibuat turbin gas
terbuka dan tertutup atau turbin gas langsung dan tidak langsung
2. Pemakaian turbin gas yang semakin meluas, disamping sebagai pembangkit daya
dorong dan pembangkit listrik, turbin gas sekarang banyak digunakan untuk
pengerak mula, contohnya penggerak pompa dan kompresor pada industri-industri
atau pusat pembangkit tenaga (power plant). Untuk keperluan tersebu, dibuat
turbin gas dengan model satu poros dan dua poros
A. Turbin gas sistem terbuka ( langsung dan tidak langsung)
T2
udara mampat
ruang bakar
(pembakaran)
gas pembakaran
2
T3
kompresor
1
T1
udara segar
3
kerja
turbin
4
T4
gas buang
Gambar 6.2 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka langsung
Pada sistem turbin gas terbuka langsung [gambar 6.2], fluida kerja akan keluar
masuk sistem yaitu udara lingkungan masuk kompresor dan gas bekas keluar turbin ke
lingkungan. Ruang bakar menjadi satu dengan sistem turbin gas dan bahan bakar yang
digunakan terbatas yaitu hanya bahan bakar cair dan gas. Bahan bakar tersebut sebelum
digunakan sudah dimurnikan, sehingga tidak mengandung unsur unsur yang merugikan.
Permasalahan turbin gas sistem terbuka terfokus pada proses pendinginan ruang
bakar dan sudu-sudu turbin. Disamping itu, karena gas pembakaran langsung
besinggungan dengan material turbin, permasalahan korosi dan abarasi pada sudu turbin,
menjadi sangat penting, jika hal ini diabaikan akan berakibat fatal dan sangat merugikan,
yaitu sudu-sudu turbin bisa bengkok atau patah. Kalau hal tersebut terjadi, daya turbin
menurun, dan secara keseluruah efisien kerja menjadi rendah.
Turbin gas sistem terbuka banyak dipakai untuk mesin pesawat terbang, karena
bentuknya lebih simpel, ringan dan tidak banyak memakan tempat, hal ini cocok dengan
pesyaratan turbin gas untuk pesawat terbang.
Bahan bakar padat tidak disarankan untuk digunakan pada sistem turbin gas
terbuka langsung, karena hasil pembakaran banyak mengandung partikel yang bersifat
korosi terhadap material turbin, yang dapat merusak sudu turbin. Kendala tersebut dapat
diatasi dengan memisahkan ruang bakar dengan saluran fluida kerja, dengan kata lain,
fluida kerja masuk turbin dikondisikan tidak mengandung gas hasil pembakaran. Untuk
keperluan tersebut, dibuat turbin gas sistem terbuka tak langsung. Dengan sistem ini,
proses pembakaran berlangsung sendiri di dalam ruang bakar yang terpisah dengan
saluran fluida kerja yang akan masuk turbin. Energi panas dari porses pembakaran akan
ditransfer ke fluida kerja secara langsung atau menggunakan alat penukar kalor.
Model transfer energi panas dari ruang bakar ke fluida kerja secara lansung adalah
sebagai berikut. Pipa pipa yang berisi fluida kerja udara mampat dari kompresor
dilewatkan ke ruang bakar atau dapur. Panas dari proses pembakaran ditransfer secara
34
langsung ke fluida kerja didalam pipa pipa, temperatur fluida akan naik sampai nilai
tertentu sebelum masuk turbin.
Untuk model transfer panas dengan penukar kalor, banyak diaplikasikan pada turbin
gas berbahan bakar nuklir. Ruang bakar berbahan bakar nuklir sering disebut dengan
reaktor. Di dalam reaktor nuklir terjadi reaksi fusi yang menghasilkan panas yang tinggi,
panas yang tinggi tersebut ditransfer ke fluida yang sekaligus berfungsi sebagai pendingin
reaktor, fluida tersebut sering diistilahkan sebagai fluida primer. Kemudian, fluida primer
bersuhu tinggi dialirkan ke alat penukar kalor. Didalam alat penukar kalor terdapat pipapipa berisi fluida kerja bersuhu rendah, untuk fluida ini sering disebut sebagai fluida
sekunder. Dengan kondisi tersebut, terjadi tranfer panas dari fluida primer bersuhu tinggi
ke fluida sekunder bersuhu rendah.
Pada gambar 6.3, adalah contoh skema untuk turbin gas sistem terbuka. Dapat
dilihat fluida kerja yang dipakai adalah udara. Udara masuk kompresor, dan keluar
sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi tersebut masuk ruang bakar
dan menyerap panas dari proses pembakaran, lalu keluar ruang bakar dengan temperatur
tinggi pada titik 3. Selanjutnya, fluida kerja masuk turbin dan berekspansi untuk
memberikan energinya ke sudu-sudu turbin. Terjadi perubahan energi, dari energi panas
fluida kerja menjadi putaran poros turbin. Sesudah berekspansi pada turbin, fluida kerja
lalu keluar turbin dengan temperatur relatif rendah ke lingkungan.
ruang bakar
SUMBER ENERGI
transfer panas
udara mampat
2
menerima panas
udara panas
tekanan tinggi
penukar kalor
3
kompresor
1
udara segar
masuk
kerja
turbin
4
udara panas
tekanan rendah
keluar
Gambar 6.3 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung
Pada gambar 6.4 adalah contoh sistem turbin gas tak langsung dengan penukar
kalor. Dapat dilihat, fluida kerja (fluida sekunder) yang dipakai adalah udara. Udara masuk
kompresor dan keluar sebagai udara mampat pada titik 2. Udara bertekanan tinggi
tersebut, masuk penukar kalor dan menyerap panas dari sumber panas. Sumber panas
tersebut adalah fluida primer bertemperatur tinggi yang mengalir dari reaktor. Fluida
primer ini, sebagai pembawa energi panas dari proses pembakaran bahan bakar nuklir,
yang biasa digunakan adalah air atau gas helium. Proses selanjutnya adalah sama
dengan skema gambar 6.3
35
ruang bakar atau
reaktor
SUMBER ENERGI
fluida primer
bertemperatur
rendah
udara mampat
(fluida sekunder)
fluida primer
bertemperatur tinggi
transfer panas
menerima panas
2
udara panas
tekanan tinggi
penukar kalor
3
kompresor
kerja
turbin
1
4
udara panas
tekanan rendah
keluar
udara segar
masuk
Gambar 6.4 Bagan kerja turbin gas sistem terbuka tak langsung
B.Turbin gas sistem tertutup ( langsung dan tidak langsung)
reaktor
SUMBER ENERGI
helium tekanan
tinggi
helium panas
tekanan tinggi
2
penukar kalor
3
kompresor
1
4
helium dingin
transfer panas
2
air pendingian
masuk
kerja
turbin
turbin
helium panas
tekanan rendah
keluar
menerima panas
penukar kalor
air pendingian
keluar
Gambar 6.5 Bagan kerja turbin gas sistem tertutup langsung
Sistem turbin gas tertutup langsung banyak digunakan untuk aplikasi tubin gas
dengan bahan bakar nuklir [gambar 6.5]. Fluida kerja yang paling cocok adalah helium.
Proses kerja dari sistem tersebut adalah sebagai berikut. Helium tekanan tinggi dari
kompresor dimasukan reaktor untuk dipanasi dan sekaligus untuk pendinginan reaktor.
Setelah itu, helium berekspansi diturbin dengan melepaskan sebagian besar energinya.
Energi tersebut diubah pada sudu-sudu turbin menjadi putaran poros turbin dan langsung
menggerakan kompresor ataupun beban lainnya. Helium keluar turbin, tekanannya sudah
36
menurun, tetapi masih bertemperatur tinggi. Helium bertemperatur tinggi harus
didinginkan sebelum masuk kompresor, untuk keperluan tersebut, dipasang penukar
kalor. Selanjutnya, helium dingin masuk kompresor lagi untuk dikompresi lagi.
Pada gambar 6.6 adalah sistem turbin gas tertutup tak langsung, sistem ini adalah
sistem gabungan antara sistem tertutup dan sistem tak langsung. Fluida kerja primer
menyerap panas dari ruang bakar atau reaktor kemudian dialirkan ke penukar kalor,
kemudian diserap oleh fluida sekunder. Langkah selanjutnya, prosesnya sama dengan
gambar 6.5.
1.2. EfIsiensi Turbin Gas
Pemakaian turbin gas banyak menguntungkan sebagai pengganti sumber
penggerak lain, seperti yang sudah diuraikan di atas, yaitu turbin gas bentuknya lebih
simpel dan tidak banyak memakan tempat. Kalau dibandingkan dengan turbin uap, turbin
gas lebih mudah dioperasikan, mudah dikendalikan dan instalasinya lebih sederhana.
Akan tetapi, secara aktual efisiensi turbin gas masih rendah. Sudah banyak metode yang
digunakan untuk menaikan efisiensi tersebut.
Dari gambar 6.1 diagram p-v dan t-s, dapat dilihat bahwa ;
Pemasukan panas berlangsung pada tekanan tetap ;
q masuk = mc p (T3−T2 )
Pengeluaran panas juga pada tekanan konstan ;
q keluar = mc p (T4−T1 )
Sehingga, kerja berguna dapat dirumuskan sebagai berikut ;
Wberguna = qmasuk-qkeluar.= mcp(T3-T2)-mcp(T4-T1)
Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan kerja berguna dengan energi kalor
yang masuk, dirumuskan sebagai berikut ;
η=
Wberguna
q masuk
=
q masuk − q keluar
,
q masuk
bisa ditulis dalam bentuk ;
T
η = 1 − 1 , atau
T2
⎛p ⎞
η = 1 − ⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ p2 ⎠
γ −1
γ
dimana cp = kapasitas jenis pada tekanan konstan
γ =
cp
c
v
Dapat dilihat
dari perumusan diatas, bahwa untuk menaikan efisiensi turbin gas,
kompresor yang digunakan harus memiliki perbandingan tekanan
p2
p1
yang tinggi,
sehingga pemakaian bahan bakar lebih sedikit. Kenaikan perbandingan tekan tidak
selamanya menaikan daya turbin, pada perbandingan tekanan tertentu, daya turbin
mencapai maksimum, selanjutnya daya yang berguna akan kembali turun. Hal ini
dikarenakan, pada perbandingan tekanan yang tinggi diperlukan kerja kompresor yang
besar, padahal kerja kompresor mengambil dari daya turbin. Dengan alasan tersebut,
bisa dipahami kenaikan perbandingan tekanan tidak selalu menguntungan pada nilai
tertentu.
37
Bagian dari kerja turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor dinamakan
back work ratio [gambar 6.9]. Perbandingan daya pada turbin gas biasanya 3 : 2 : 1, 3
untuk daya turbin, 2 untuk kompresor, dan 1 untuk generator listrik. Sebagai contoh untuk
menggerakan generator listrik 100 kW, turbin gas harus mempunyai daya 300 kW, karen
harus menggerakan kompresor sebesar 200 kW.
Generator listrik
gaya dorong
Wturbin
Dengan alasan itu, banyak faktor yang
back work (kerja
harus
diperhatikan
terutama
untuk
balik)
mengoptimalkan kerja kompresor. Sebagai
contoh, suhu masuk kompresor T1 tidak terlalu
tinggi, dengan alasan pada suhu yang tinggi
Wkompresor
kerja kompresor bekerja lebih
berat. Dengan kerja kompreGambar 6.9 Back work turbin gas
sor lebih berat, daya yang diambil dari daya turbin lebih banyak sehingga mengurangi
bagian yang lainnya.
Turbin gas pesawat terbang atau helikopter yang beropersi di daerah panas, seperti
di gurun, sering mengalami kesulitan. Hal ini berkebalikan pada turbin gas pesawat
terbang yang beropersi pada daerah dingin, turbin gas lebih mudah disetart, dengan T1
yang rendah. Dari perumusan kerja berguna dapat dilihat, pada T1 rendah lebih
menguntungkan, karena kerja berguna turbin lebih bagus dibandingkan pada T1 sudah
tinggi. Jadi, pada T1 yang tinggi, kerja kompresor menjadi lebih berat, hal ini akan
menurunkan kerja berguna turbin, dan efisiensi turbin gas menjadi turun.
Dari perumusan kerja berguna turbin, terlihat bahwa temperatur T3 yaitu temperatur
gas pembakaran yang masuk turbin, sangat berpengaruh terhadap kerja turbin, semakin
tinggi T3 semakin besar kerja turbin yang dihasilkan. Kenaikan T3 juga tidak selalu
menguntungkan, karena membutuhkan material yang kuat dan mahal. Apabila
karakteristik materila turbin tidak memenui standar, kenaikan T3 harus dibatasi untuk
menghindari kegagalan opersi, karena kerusakan material turbin pada suhu tinggi.
38
BAB 8 MESIN TENAGA UAP
Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 8.1]. Fluida
kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran
digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan didalam boiler atau
sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi
digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut
sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap.
Didalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik didalam
sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan
menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap. Uap panas yang
kelur dari turbin yang sudah dipakai sebagain besar energinya dilewatkan melalui
eqonomiser. Pada eqonomiser uap sisa diambil energi panasnya untuk memanaskan air
yang akan masuk boiler.
8.1. Siklus Termodinamika Mesin Uap
wturbin, keluar
qmasuk
qkeluar
wpompa masuk
Gambar 8.2 Siklus Rankine
q, masuk
\
Boiler
wturbin, keluar
Turbin
wpompa, masuk
Pompa
q, keluar
Kondensor
Gambar 8.3 Bagan siklus Rankin
39
Proses termodinamika dari siklus Rankine tersebut adalah sebagai berikut [gambar
8.2 dan 8.3] ;
1-2
2-3
3-4
4-1
Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pomp
Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler
Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin
Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan
Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk
boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur
kemudian didalam boiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses
pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap
yang sudah dipanaskan di boiler kemudian masuk turbin. Fulida kerja mengalami
ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. Selama proses ekspansi pada turbin
terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu
menhasilkan putaran poros turbin. Uap yang keluar dari turbin kemudian dikondensasi
pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun. Kemudian siklus
berulang lagi.
Siklus Ideal
Irreversibility
dalam turbin
Pressure drop
dalam turbin
Irreversibility
dalam turbin
Siklus Aktual
Pressure drop
dalam kondensor
Gambar 8.4 Diagram siklus aktual Rankine
Gambar 8.5 Proses ireversibeliti pada pompa dan turbin
40
8.2. Siklus Aktual dari Siklus Rankine
Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor
seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap [gambar 8.4 dan 8.5]
Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler,
kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan jatuh yang
besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk
mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke
turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal.
Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses
ekspansi uap air pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran
uap juga mengibatkan kerugian yang tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam
turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.
41
BAB 9 TURBIN UAP
9.1. Pendahuluan
Penggunaan turbin uap untuk keperluan industri sudah menjadi pilihan yang paling
menguntungkan, dengan efisiensi yang relatif tinggi dan bahan-bakar yang digunakan
untuk pembangkitan uap bisa bervariasi. Penggunaan turbin uap yang paling banyak
adalah untuk mesin pembangkitan tenaga listrik. Sumber uap panas sebagai fluida yang
mempunyai energi potensial tinggi berasal dari sistem pembangkit uap (boiler) atau dari
sumber uap panas geotermal.
Adapun definisi turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi
potensial uap menjadi energi kinetikdam energi kinetik lalu diubah menjadi energi
mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin dihubungkan dengan yang digerakan,
yaitu generator atau peralatan mesin lainnya, menggunakan mekanisme transmisi roda
gigi. Dari definisi tersebut diatas, turbin uap adalah termasuk mesin rotari. Jadi berbeda
dengan motor bakar yang bolak-balik (reciprocating).
nosel penyembur uap keluar
bola penampung uap
pipa tegak penyuplai uap
panas ke bola
bejana air ( tempat
penguapan)
dapur atau furnace
tempat proses
pembakaran ( sumber
panas)
Gambar 9.1 Mesin uap Hero
9.2. Asas Impuls dan Reaksi
Turbin uap adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik
uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin.
Sebagai perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi energi panas
gas atau uap di dalam silinder yang mendorong torak untuk bergerak bolak balik. Pada
dasarnya, prinsip kerja mesin torak dengan turbin uap adalah sama. Fluida gas dengan
energi potensial yang besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang
akan medorong torak atau sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau
sudu kemudian bergerak. Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls
42
B
A
Vb
fluida gas
Vs
Vb
Vs
fluida gas
Gambar 9.2 Azas impuls pada plat datar dan sudu
Azas impuls dapat dijelaskan dengan metode sebagai berikut. Pada gambar 9.2 A
adalah sebuah pelat yang ditumbuk dengan fluida gas berkecepatan Vs, dan laju massa
•
m , karena pelat itu beroda sehingga bergerak dengan kecepatan Vb. Besarnya daya
dapat dihitung dengan persamaan
•
•
W optimum ( plat ) =
mV
2
s
4
sedangkan pada ganbar B adalah sebuah sudu yang ditumbuk fluida gas dengan laju
•
masa m , maka daya yang dihasilkan adalah
•
•
W optimum
( sudu ) = mV
2
s
2
dari dua model diatas, dapat dilihat bahwa model sudu mempunyai daya yang lebih besar
pada kecepatan dan laju massa fluida gas yang sama. Maka, dengan alasan tersebut,
bentuk sudu dianggap yang paling efisien untuk diterapkan pada turbin uap atau jenis
turbin lainnya seperi turbin gas dan air.
Penerapan model sudu tersebut diatas pada turbin uap, penataannya kurang lebih
seperti pada gambar 9.3, yaitu menata sudu-sudu tersebut sebaris mengelilingi roda jalan
atau poros turbin uap, sehingga terjadi keseimbangan gaya.
sumbu putar
U
Gambar 9.3 Sudu sudu impuls pada rotor turbin uap
43
turbin impuls
pembangkit uap
bejana air ( tempat
penguapan)
Gambar 9.4 Mesin uap Branca dengan turbin impuls
Model turbin impuls dalam sejarahnya sudah pernah dibuat oleh Branca, pada
gambar 9.4, prinsip kerjanya adalah dengan menyemburkan uap berkecapatan tinggi
melalui nosel ke sudu-sudu impuls pada roda jalan. karena tumbukan antara semuran gas
dengan sudu-sudu jalan turbin impuls, poros turbin menjadi berputar,
Berbeda dengan azas impuls azas azas reaksi, untuk sebagaian orang lebih susah
dipahami. Untuk menggambarkan azas reaksi bekerja pada gambar adalah model jet uap
dari Newton
gaya aksi
gaya reaksi
Gambar 9.5 Mesin uap Newton gaya aksi rekasi
Semburan uap dari tabung mempunyai energi kinetik yang besar sehingga sepeda akan
bergerak ke kiri. Dari hal tersebut bisa dipahami bahwa mesin tersebut bekrja dengan
azas reaksi, yaitu semburan uap melakukan aksi sehingga timbul reaksi pada sepeda
untuk begerak melawan aksi. Pada gambar adalah contoh lain dari aksi reaksi.
gaya aksi
gaya reaksi
Gambar 9.6 Gaya aksi reaksi pada balon
44
9.3. Segitiga Kecepatan
Vb
gas panas energi
tinggi
langkah ekspansi
motor bakar
ekspansi nosel
VS1
VS1
Vr1
Vr1
θ
φ
φ
VB
Vr2
VB
δ
VB
VS2
VB
γ
Vr2
θ
γ
δ
VS2
VB
Gambar 9.7 Segitiga kecepatan pada sudu turbin impuls
Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida gas yang menumbuk
sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan sangat membantu alam
pemahaman proses konversi pada sudu-sudu turin uap atau pada jenis turbin yang lain.
Adapun notasi dari segitiga kecepatan adalah sebagai berikut
Vs1
VB
Vr1
Vr2
Vs2
=θ
=φ
=δ
=γ
= Kecepatan absolut fluida meninggalkan nosel
= Kecepatan sudu
= kecepatan relatif fluida
= Kecepatan relatif fluida meninggalkan sudu
= Kecepatan absolut fluida meninggalkan sudu
sudut nosel
sudut masuk sudu
sudut keluar sudu
sudut keluar fluida
Dari segitiga kecepatan diatas, panjang pendeknya garis adalah mewakili dari besar
kecepatan masing-masing. Sebagai contoh, fluida masuk sudu dari nosel dengan
kecepatan VS1 kemudian keluar dari nosel sudah berkurang menjadi VS2 dengan garis
yang lebih pendek, artinya sebagian energi kinetik fluida masuk sudu diubah menjadi
energi kinetik sudu dengan kecepatan VB, kemudian fluida yang sudah memberkan
energinya meningglkan sudu dengan kecepatan VS2.
Proses perubahan atau konversi energi pada turbin adalah sama dengan
perubahan energi pada motor bakar, tetapi dengan metode yang berbeda. Untuk motor
bakar, pada langkah ekspansi fluida gas yaitu gas pembakaran energinya mengalami
penurunan bersamaan dengan penurunan tekanan di dalam silinder, hal itu karena
sebagian energinya diubah menjadi energi kinetik gas pembakaran dan dikenakan
langsung pada torak. Karena ada dorongan dari energi kinetek gas pembakaran torak
begerak searah dengan gaya dorong tersebut, kondisi ini disebut langkah tenaga.
45
gas panas (uap panas )
tekanan tinggi, kecepatan
rendah
gas panas tekanan
rendah, kecepatan
tinggi
proses ekspansi
nosel
Gambar 9.8 Proses ekspansi pada nosel
Pada turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu ekspansi fluida
gas pada nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida mengalami penurunan,
demikian juga tekanannya. Berbarengan dengan penurunan energi dan tekanan,
kecepatan fluida gas naik, dengan kata lain energi kinetik fluida gas naik karena proses
ekspansi. Kemudian, fluida gas dengan energi kinetik tinggi menumbuk sudu turbin dan
memberikan sebagian energinya ke sudu, sehingga sudu pun begerak. Perubahan energi
dengan tumbukan fluida di sudu adalah azas impuls.
Untuk perubahan energi dengan azas reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti
nosel. Hal ini berarti, pada sudu turbin reaksi terjadi proses ekspansi, yaitu penurunan
tekanan fluida gas dengan dibarengi kenaikan kecepatan. Karena prinsip reaksi adalah
gerakan melawan aksi, jadi dapat dipahami dengan kenaikan kecepatan fluida gas pada
sudu turbin reaksi, sudu turbin pun akan bergerak sebesar nilai kecepatan tersebut
dengan arah yang berlawanan.
nosel sebagai nosel
TURBIN IMPULS
impuls
reaksi
nosel sebagai sudu
TURBIN REAKSI
aksi
Gambar 9.9 Fungsi nosel
46
VS1
Vr1
VB
komponen aksi
VB
komponen reaksi
bentuk nosel,
ekspansi Vr2> Vr1
Vr2
VS2
VB
Gambar 9.10 Segitiga kecepatan sudu bergerak turbin reaksi
9.4. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin yang mempunyai roda jalan atau rotor dimana terdapat
sudu-sudu impuls. Sudu-sudu impuls mudah dikenali bentuknya, yaitu simetris dengan
φ
sudut masuk
dan sudut keluar γ
yang sama (20 0), pada turbin biasanya
ditempatkan pada bagian masuk dimana uap bertekanan tinggi dengan volume spesifik
rendah. Bentuk turbin impuls pendek dengan penampang yang konstan.
Ciri yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada
nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penuruan tekanan. Sudu-sudu
turbin uap terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak. Sudu tetap berfungsi sebagai nosel
dengan energi kinetik yang naik, sedangkan pada sudu begerak tekanan adalah konstan
atau tetap. dari karakteristik tersebut, turbin impuls sering disebut turbin tekanan sama
Bentuk dari sudu tetap turbin impuls ada dua macam yaitu bentuk simetris dan
bentuk tidak simetris. Pada bentuk sudu tetap simetris, profile kecepatan dan tekanan
adalah sama, tidak ada perubahan kecepatan dan tekanan. Sedangkan pada sudu tetap
yang berfungsi sebagi nosel mempunyai bentuk seperti nosel yaitu antar penampang
sudu membetuk penampang yang menyempit pada ujungnya. Karena bentuknya nosel,
kecepatan akan naik dan tekanan turun. Bentu pertama simetri dipakai pada turbin uap
Curtis dan bentuk yang kedua dipakai turbin uap Rateau.
A
B
bentuk sama
SIMETRIS
B
bentuk berbeda
NOSEL
Gambar 9.11 Bentuk sudu tetap turbin impuls
47
A. Turbin impuls satu tahap ( Turbin De Laval)
Pada gambar diatas adalah skema turbin De laval atau turbin impuls satu tahap.
Turbin terdiri satu atau lebih nosel konvergen divergen dan sudu-sudu impuls terpasang
pada roda jalan (rotor). Tidak semua nosel terkena semburan uap panas dari nosel,
hanya sebagian saja. Pengontrolan putaran dengan jalan menutup satu atau lebih nosel
konvergen divergen.
Adapun cara kerjanya adalah sebgai berikut. Aliran uap panas masuk nosel
konvergen divergen, di dalam nosel uap berekspansi sehingga tekanannya turun.
Berbarengan dengan penurunan tekanan, kecepatan uap panas naik, hal ini berarti terjadi
kenaikan energi kinetik uap panas. Setelah berekspansi, uap panas menyembur keluar
nosel dan menumbuk sudu-sudu impuls dengan kecepatan abolut Vs1. Pada sudu-sudu
impuls uap panas memberikan sebagian energinya ke sudu-sudu, dan mengakibatkan
sudu-sudu bergerak dengan kecepatan Vb. Tekanan pada sudu-sudu turbin adalah
konstan atau tetap, sedangkan kecepatan uap keluar sudu berkurang menjadi Vs2
sudu-sudu impuls
kecepatan absolut
tekanan
nosel konvergen
divergen
Vs1
Vs2
Gambar 9.12 Turbin uap impuls satu tahap
B. Turbin impuls gabungan
Turbin impuls satu tahap atau turbin De laval mempunyai kendal-kendala teknis
yang tidak menguntungkan. Sebagai contoh berikut ini, kecepatan uap masuk sudu terlalu
tinggi kalau hanya untuk satu baris sudu, efeknya kecepatan putar sudu menjadi tinggi,
dan melampaui batas keselamatan yang diizinkan, karena tegangan sentrifugal yang
harus ditahan material rotor. Disamping itu dengan kecepatan rotor yang tinggi diperlukan
roda gigi reduksi yang besar dan berat untuk menghubungkan rotor dengan generator
listrik. Dengan alasan-alasan tersebut, dikembangkan dua pilihan turbin impuls gabungan
48
yaitu turbin gabungan kecepatan atau turbin Curtiss dan turbin impuls gabungan tekanan
atau turbin Rateau
B.1. Turbin impuls Curtiss
Turbin uap Curtiss adalah turbin yang bekerja dengan prinsip impuls secara
bertahap. Berbeda dengan turbin satu tahap, turbin Curtiss mempunyai beberapa baris
sudu bergerak dan baris sudu tetap. Pada gambar 9.13 adalah susunan turbin uap
Curtiss, proses ekspansi uap panas pada nosel, dimana kecepatan uap panas naik ( Vs1)
dan tekanan turun.
Uap panas yang mempunyai kecepatan tinggi masuk baris pertama sudu bergerak,
pada tahap ini uap memberikan sebagian energinya sehingga kecepatannya turun (Vs2).
Selanjutnya, sebelum masuk baris sudu bergerak tahap II, terlebih dahulu melewati sudu
tetap. Pada sudu-sudu tetap yang berbentuk simetris, uap tidak kehilangan energinya,
kecepatan (Vs3) dan tekanannya konstan. Uap dengan kecepatan Vs3 setelah melewati
sudu tetap masuk baris sudu bergerak tahap II, uap memberikan energinya yang tersisa
ke sudu-sudu bergerak, karena itu kecepatannya turun kembali menjadi Vs4.
sudu-sudu
tetap
sudu-sudu gerak
sudu-sudu
gerak
tekanan
nosel konvergen
divergen
kecepatan absolut
Vs1
Vs2
Vs3
Vs4
Gambar 9.13 Susunan turbin uap Curtiss
Pada turbin Curtiss penurunan uap terjadi dengan sempurna pada nosel sehingga
tidak ada penurunan tekanan lagi pada sudu-sudu, dan energi kinetik dari nosel dipakai
oleh dua baris sudu bergerak tidak hanya satu baris saja. Ciri khas dari turbin ini adalah
kecepatan akan turun setelah melewati sudu bergerak, dan kecepatannya konstan pada
sudu tetap. Untuk memahami lebih lanjut tentang perubahan nilai kecepatan, dapat
menggunakan analisa segitiga kecepatan dari turbin Curtiss. Sebagai contoh dapat dilihat
pada gambar 9.14, dari segitiga tersebut dapat dilihat,
•
•
[(
) (
W = m Vs21 − Vs22 − Vr21 − Vr22
)]
49
Gambar 9.14 Segitiga kecepatan turbin uap Curtiss
B.2. Turbin impuls Rateau
Pada turbin Curtiss yaitu turbin gabungan kecepatan yang sudah dibahas pada sub
bab diatas, masih mempunyai kelemahan yaitu kecepatan uapnya masih tinggi, sehingga
timbul gesekan yang merupakan kerugian aliran, kondisi ini sama dengan turbin impuls
satu tahap. Untuk mengatasi hal tersebut, Rateau membuat turbin impuls gabungan
tekanan. Pada turbin ini, turbin dibagi menjadi beberapa bagian dengan susunan seri,
dimana setiap bagian terdiri dari nosel dan sudu bergerak, yaitu sama dengan susunan
turbin satu tahap.
Pada gambar 9.15 adalah skema sederhana dari turbin rateau. Dari gambar
tersebut didapat susunan dasar turbin, yaitu terdiri dari dua bagian kombinasi nosel dan
sudu bergerak. Dari diagram tekanan dan kecepatan absolut dapat dibahas sebagai
berikut. Uap panas pertama masuk pada bagian pertama, kecepatan akan naik pada
nosel dan kemudian turun pada sudu bergerak. Selanjutnya, uap panas masuk ke nosel
bagian dua, kecepatan naik lagi pada nosel dan turun kembali pada sudu bergerak. Pada
setiap bagian, uap akan mengalami penurunan tekanan setelah dari nosel.
Jadi pada turbin Rateau, uap panas akan berekspansi setiap masuk nosel, dengan
demikian energi uap akan terbagi merata. Jika dibandingkan dengan turbin satu tahap,
pada turbin ini, jumlah energi uap panas yang berekspansi pernoselnya jauh lebih kecil,
sehingga kenaikan kecepatan absolutnya tidak terlalu tinggi.
Turbin ini mempunyai keunggulan yaitu kecepatan sudunya rendah, kecepatan uap
rendah ( gesekan kecil),dan distribusi kerja perbagian merata. Kelemahannya adalah
penurunan tekanan yang terus menerus pada setiap bagian, sehingga resiko kebocoran
uap lebih besar. Untuk memperoleh efisiensi tinggin, turbin rateau juga harus mempunyai
tahapan yang banyak. Dengan alasan-alasan tersebut, turbin Rateau banyak dipakai
untuk unit yang besar, dimana efisiensi lebih penting daripada biaya investasi
50
tekanan
Gambar 9.15 Segitiga kecepatan turbin uap Rateau
kecepatan absolut
Vs1
Vs3
Vs1
Vs4
Vs2
Gambar 9.16 Susunan turbin uap Rateau
51
Pada gambar adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rateau. dari segitiga
tersebut terlihat bentuk dari segitiga adalah sama untuk setiap tahap, dimana bentuknya
adalah segitiga kecepatan turbin satu tahap yang disusun seri. Kecepatan Vs1 dari sudu
tetap yang berfungsi nosel, akan masuk ke sudu bergerak dan nilainya turun menjadi Vs2,
demikian juga untuk kecepatan relatifnya juga turun. Kemudian, kecepatan Vs2 naik lagi
setelah melewati sudu bergerak menjadi Vs3, dimana nilai kecepatan ini secara ideal
adalah sama dengan Vs1, dan prosesnya berlanjut sampai tahap terakhir turbin.
9.5. Turbin Reaksi
Turbin reaksi pertama kali dikenalkan oleh Parson, pada gambar 9.17 adalah
contoh turbin rekasi tiga tahap, terdiri dari 3 baris sudu tetap dan 3 baris sudu bergerak.
Sudu tetap dibuat sedemikian rupa sehingga fungsinya sama dengan nosel. Sedangkan
sudu bergerak dapat dibedakan dengan jelas dengan sudu impuls karena tidak simetris.
Sudu bergerak pun difungsikan sebagai nosel, karena fungsinya yang sama dengan sudu
tetap, maka bentuknya sama dengan sudu tetap, tetapi arah lengkungannya berlawanan.
Gambar 9.17 Susunan turbin uap Rateau
Penurunan tekanan adalah sinambung dari tahap satu ke tahap berikutnya, dari
sudu tetap dan sudu bergerak. Kecepatan absolutnya setiap melewati sudu tetap akan
naik dan setelah melewati sudu bergerak akan turun, selanjutnya akan berulang sampai
akhir tahap.
Pada gambar 9.18 adalah contoh segitiga kecepatan dari turbin rekasi dua tahap.
Dari gambar segitiga kecepatan tersebut menunjukan bentuk segitiga kecepatan untuk
sudu tetap akan sama, demikian juga untuk sudu gerak. Kecepatan Vs1 dari sudu tetap
akan turun nilainya setelah melwati sudu bergerak menjadi Vs2,akan tetapi kecepatan
relatinya menjadi besar yaitu Vr2. Selanjutnya, Vs2 dinaikan lagi nilainya setelah masuk
ke sudu tetap, menjadi Vs3 yang sama dengan Vs1, dan seterusnya sampai tahap akhir
turbin.
52
Gambar 9.18 Susunan turbin uap Rateau
Daya yang dihasilkan turbin rekasi dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut
•
•
[(
) (
W = m Vs21 − Vs22 − Vr21 − Vr22
)]
dan daya optimum tercapai pada kecepatan sudu optimum yaitu
•
•
W = m Vb2 optimum
53
BAB 10 PRINSIP DASAR ALIRAN
Indonesia mempunyai potensi sumber daya alam yang besar yang dapat
dimanfaatkan, khususnya sumber daya air yang sangat berlimpah. Air yang tersimpan di
danau, waduk atau yang mengalir di sungai, mempunyai energi potensial yang besar dan
bisa dimanfaatkan untuk menggerakan turbin air [gambar 10.1, 10.2, 10.3]. Dengan
membangun bendungan-bendungan pada tempat-tempat yang tinggi, misalnya di
pegunungan-pegunungan, air bisa diarahkan dan dikumpulkan pada suatu tempat, tempat
tersebut dinamakan waduk atau danau buatan. Dengan memanfaatkan beda tinggi, air
bisa dialirkan melalui saluran saluran ke turbin air, yang dipasang dibawah waduk.
Sebagai contoh pada gambar 10.3 terlihat di bawah waduk dibangun rumah pusat
tenaga, di dalam rumah tersebut terdapat turbin pelton dengan sudu-sudunya, yang
menerima semprotan air dari nosel-nosel, sehingga roda turbin berputar. Air dari turbin
kemudian dialirkan ke sungai. Air waduk mempunyai beda tinggi H, sehingga air
mempunyai energi potensial, yang akan mengalir sampai ke turbin air. Pada sudu-sudu
turbin, energi aliran diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila
roda turbin dihubungan dengan poros generator listik, maka energi mekanik putaran roda
turbin diubah menjadi energi listrik pada generator.
Dari uraian diatas, dapat ditarik kesimpulan bahwa turbin air akan mengubah energi
kinetik air menjadi energi mekanik, yaitu putaran roda turbin. Pada kondisi aktual, tidak
semua energi potensial air dapat diubah menjadi energi mekanik pada turbin, pasti dalam
proses perubahan terdapat kerugian-kerugian. Dari hal tersebut dapat didefinisikan
efisiensi dari turbin yaitu perbandingan daya pada turbin dengan daya air pada waduk.
Adapun perumusannya adalah ;
η=
daya keluaran mekanik
daya air pembangkit waduk
Air dari waduk akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalam saluran yang menuju
turbin. Pada turbin air terdapat pengaturan kapasitas untuk memvariasi kapasitas aliran.
Pengaturan kapasitas aliran masuk turbin dimaksudkan untuk merespon beban dan
perubahan head. Perubahan head pada waduk terjadi karena curah hujan tidak sama
sepanjang tahun. Di Indonesia yang beriklim tropis terdapat dua musim yaitu musim
kemarau dan penghujan. Pada musin kemarau head pada kondisi paling rendah dan
sebaliknya pada musim penghujan head paling tinggi
Disamping turbin pelton untuk pembangkitan seperti diatas, dapat digunakan jenis
turbin air lainnya. Dengan menggunakan dasar mekanika fluida kita bisa menentukan
energi potensial aliran, daya turbin, dan karakteristik turbin air lainnya.
Contoh soal 1
Dengan kapasitas tertentu dan head tertentu sebuah pembangkit listrik tenaga air
mempunyai daya air sebesar P = 180000 KW, sedangkan daya yang dihasilkan turbin
adalah P = 160000 KW. Hitung efisiensi turbin tersebut !.
Jawab :
Efisiensi turbin adalah perbandingan daya turbin dengan daya air. Dari rumus efisiensi
turbin yaitu
54
160000 KW
= 0,888.
180000 KW
bucket-bucket
roda peyeimbang
bantalan poros
kontruksi penyangga
pengatur nosel
nosel
Gambar 10.6 Turbin Fourneyron
turbin francis A
rotor
sudu pengarah
Sudu jalan
sudu jalan atau runner
poros turbin
turbin pelton B
nosel
bucket-bucket
turbin kaplan C
pengatur sudu
sudu pengarah
sudu jalan atau baling baling
55
Gambar 10.7 Tipe turbin air yang paling populer
10.2. Instalasi Pembangkit Tenaga Air
Sebelum melakukan pembangunan pusat pembangkit listrik tenaga air,
diperlukan uji kelayakan terhadap sumber air yang akan dimanfaatkan energi
potensialnya. Terutama ketersedian head dan kapasitas terpenui dari bendungan atau
waduk untuk beban yang dirancang. Ada beberapa kategori head tersedia yang
diklasifikasikan sebagai berikut [gambar 10.8];
1. head tinggi ( lebih dari 240 m)
2. head sedang ( 30 m to 240 m)
3. head rendah ( kurang dari 30 m )
Dam
Dam
tandon air waduk
bendungan
turbin
turbin
arus sungai
head rendah
head sedang
penstok
head tinggi
Gambar 10.8 Tingkat head sumber air
Setelah mengetahui ketersedian head yang ada, selanjutnya menentukan jenis
turbin dan beban yang terpasang. Beban yang terpasang atau daya keluaran yang
direncankan tidak boleh melampaui dari ketersedian energi potensial air, karena efisiensi
maksimum operasi tidak akan tercapai dan dari segi ekonomis merugikan. Berikut ini
klasifikasi dari jenis pembangkit dilihat dari daya keluaran turbin ;
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Large-hydro; daya keluaran sampai 100 MW
Medium-hydro; daya keluaran mulai 15 - 100 MW
Small-hydro;daya keluaran mulai 1 - 15 MW
Mini-hydro daya keluaran mulai 100 kW- 1 MW
Micro-hydro ;daya keluaran sampai dari 5kW - 100 kW
Pico-hydro ;daya keluaran sampai 5kW
Adapun bagian bagian yang penting dari instalasi dari pembangkit listrik tenaga air
adalah sebagai berikut [gambar 4.9] ;
A. Pintu air
56
Bagian ini terletak pada pinggir bendung dan akan mengontrol kondisi air yang akan
dialirkan. Air yang keluar harus dijamin bersih dari sampah-sampah seperti batang
dan ranting pohon, batu dan kerikil ayau sampai lainnya yang dapat membahayakan
instalasi. Pada pintu air juga harus bisa menghentikan laju aliran air, apabila
saluran harus dikosongkan.
B. Saluran air atau conduit system
Bagian ini berfungsi menyalurkann air dari bendungan menuju turbin. Bentuk
saluran bisa berbentuk saluran terbuka, pressure shaft, tunnel, atau penstock.
Saluran ini dibuat dengan cara penggalian atau pengeboran, dindingnya dengan
dinding batu. Material penstock dari baja
C. Turbin
n sungai
Gambar 10.9 Instalasi turbin air
turbin
dum atau bendungan
penstok
pipa isap
rumah turbin
saluran
buang
Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang
kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen-komponen
turbin yang penting adalh sebagai berikut ;
− Sudu pengarah, biasanya bisa diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang
masuk turbin
− Roda jalan atau runner turbin, pada bagian ini terjadi peralihan ari energi
potensial fluida menjadi energi mekanik
− Poros turbin, pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan
− bantalan radial dan bantalan axial
− Rumah turbin, biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk
mengarahkan aliran masuk sudu pengarah
− Pipa hisap, mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran luar
57
10.3. Energi Potensial Aliran Air
muka air
energi
listrik
aliran listrik
dam atau
bendungan
energi
potensial
turbin
energi
kinetik
energi
mekanik
penstok
saluran
buang
generator
turbin
Gambar 10.10 Perubahan energi pada instalasi turbin air
Air yang mengalir melalui saluran mempunyai energi dan energi tersebut dapat
diubah bentuknya [gambar 10.10], adapun perubahan bentuk energinya oleh Bernoulli
dirumuskan sebagai berikut ;
W = m⋅ g ⋅ z + m
p
ρ
+m
c2
(Nm)
2
Jadi selama mengalir, energi potensial bisa berubah bentuk menjadi bentuk lainya yaitu
energi potensial, energi tekanan, dan energi kecepatan.
Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan diatas menjadi
persamaan tinggi jatuh atau head ;
58
H = z+
p
c2
+
= konstan
ρ ⋅ g 2g
dimana H = tinggi jatuh air atau head total (m)
z = tinggi tempat atau head potensial (m)
p
= tinggi tekan atau head tekan (m)
ρ⋅g
c2
= tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)
2g
Pada tiap saat dan posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa akan
mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan, dan kecepatan yang sama
besarnya. Persamanan bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk persamaan ;
z1 +
p1
c2
p
c2
+ 1 = z2 + 2 + 2
ρ ⋅ g 2g
ρ ⋅ g 2g
Arti dari persamaan diatas adalah pada posisi satu pada gambar 10.10 aliran air akan
mempunyai kecepatan dan tekanan tertentu, perubahan energi terjadi karena terjadi
perubahan penampang. Karena luas penampang menjadi kecil, kecepatan aliran airnya
naik, sedangkan tekanannya menjadi turun. Jadi posisi dua energi kecepatannya lebih
besar dari pada posisi satu, dan energi tekanan pada posisi 2 lebih kecil dibanding posisi
satu.
10.4. Prinsip Peralian Energi Aliran
Aliran zat cair akan mengalami perubahan energi dai bentuk satu kebentuk lainnya.
Pada persamaan bernoulli terlihat aliran mempunyai energi tempat, tekan dan energi
kecepatan. Proses perubahan energi dari energi aliran menjadi energi mekanik bisa
dilihat pada gambar 10.11. Dari gambar tersebut menunjukan model perubahan ada dua
cara yaitu prinsip impuls dan prinsip reaksi.
Faksi
Freaksi
F
impuls atau aksi
F
reaksi
c1
c1
c2
c2
Gambar 10.11 Prinsip impuls dan reaksi
59
Prinsip inpuls dapat dijelaskan sebgai berikut. Pada gambar 10.11 adalah sebuah
papan beroda sehingga bisa berjalan, pada papan dipasang sudu. Apabila sudu
disemprot air, aliran air akan menumbuk sudu dengan gaya impuls F, dan sudu akan
terdorong dengan arah yang sama dengan gaya yang bekerja, maka papan akan
berjalan searah gaya F. Jadi gerakan papan searah dengan gaya yang beraksi pada
sudu. Ini adalah prinsip dasar dari turbin impuls.
runner turbin francis
roda jalan pelton
c1
c1
c2
c2
buket
sudu
Gambar 10.12 Prinsip impuls dan reaksi pada roda jalan pelton dan francis
Prinsip reaksi bisa dijelaskan sebagai berikut. Turbin akan berputar karena
dilewati air dari bejana, artinya sudu turbin akan bereaksi dengan gaya yang berlawanan
arah dengan gaya yang diberikan aliran air.
10.5. Daya Turbin
Bila diketahui kapasitas air dan tinggi air jatuh H, bisa ditentukan daya turbin P (
kW) yaitu ;
P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H ⋅ ηT
dimana P
Q
g
H
= daya turbin air (kW)
= kapasitas atau debit air (m3/dtk)
= percepatan gravitasi (kg/m2)
= tinggi jatuh air (m)
η T = efisiensi turbin
massa aliran bisa dihitung dengan persamaan ;
•
•
m = Q ⋅ ρ dimana m = adalah laju aliran masa ( kg/dtk)
60
perhitungan daya persamaan diatas bisa diubah menjadi
•
P = m⋅ g ⋅ H ⋅ η T atau
•
P = m⋅ Y ⋅ η T Y = kerja spesifik (J/kg)
Y = g⋅H
dari perumusan terlihat bahwa daya turbin sangat tergantung dari besar kapasitas aliran
air dan tinggi jatuh air.
Secara sederhana bisa dinyatakan bahwa semakin tinggi tinggi jatuh air, dengan
kapasitas aliran sama, akan mempuyai energi potensial yang lebih besar dibandingkan
dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah. Logika tersebut juga berlaku sebaliknya, yaitu
untuk tinggi jatuh air yang sama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila
kapasitas aliran air juga besar.
Untuk menentukan luas penampang saluran aliran air masuk turbin dapat dihitung
dengan persamaan kontinuitas yaitu ;
Q = A ⋅ v sehingga A =
Q
v
dimana A = luasan penampang saluaran (m2)
v = kecepatan aliran air (m/dtk)
Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil, pada kapasitas
aliran air yang sama.
10.6. Kecepatan Putar Turbin dan Kecepatan Spesifik
Kecepatan putar turbin harus diusahakan setinggi mungkin, karena dengan
kecepatan putar turbin yang tinggi ukuran turbin menjadi kecil sehingga lebih
menguntungkan. Kecepatan spesifik juga sangat penting dalam perancangan, karena
dengan mengetahui nq kita bisa menentukan tipe roda turbin. Adapun persamaan nq
adalah sebagai berikut;
nq = n
Q
4
H3
dimana nq = kecepatan spesifik (rpm)
n = kecepatan putar turbin (rpm)
Suatu turbin yang bekerja pada tinggi jatuh dan kapasitas air yang berbeda, dan
bekerja pada putaran yang ditentukan, apabila mempunyai kecepatan spesifik yang
sama, maka secara geometri bentuk turbin tersebut adalah sama.
61
BAB 11 KLASIFIKASI TURBIN AIR
Dari perumusan Bernouli, menunjukan bahwa daya air dari suatu aliran mempunyai
bentuk energi yang berbeda-beda. Pada proses peralihan keseimbangan energi antara
energi masuk ke mesin tenaga disatu pihak dengan energi mekanis yang bisa diteruskan
oleh mesin tenaga ditambah energi yang ikut keluar bersama-sama air buangan dipihak
lain. Persamaan keseimbangan tinggi jatuh air adalah sebagai berikut;
p1
c12
p2
c 22
z1 +
+
= ηt ⋅ H + z2 +
+
ρ ⋅ g 2g
ρ ⋅ g 2g
η t ⋅ H = z1 − z 2 +
p1 − p 2 c12 − c 22
+
ρ⋅g
2g
dari persamaan tersebut, suku sebelah kanan adalah jumlah energi yang dipakai oleh
sudu jalan turbin untuk diubah menjadi energi mekanis.
generator
kincir air
aliran air sungai
pondasi
sluran buang
Gambar 11.1 Kincir air
Pada gambar 11.1 adalah gambar kincir air. Kincir air adalah jenis turbin air yang
paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana,
material kayu bisa dipakai untuk membuat kincir air, tetapi untuk opersi pada tinggi jatuh
air yang besar biasanya kincir air dibuat dengan besi. Kincir air bekerja pada tinggi jatuh
yang rendah biasanya antar 0,1 m sampai 12 meter, dengan kapasitas aliran yang
berkisar antara 0,05 m3/dtk sampai 5 m3/dtk. Dari data tersebut pemakai kincir air adalah
di daerah yang aliran airnya tidak besar dengan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros
kincir air berkisar antara 2 rpm sampai 12 rpm.
11.1. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama
A. Turbin pelton
Prinsip dari turbin impuls sudah dijelaskan pada kincir air. Turbin impus bekerja
dengan prinsip impuls. Turbin jenis ini juga disebut turbin tekanan sama karena aliran air
yang keluar dari nosel, tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer. Sebagai
contoh pada gambar 11.2 adalah turbin pelton yang bekerja dengan prinsip impuls,
62
semua energi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi
energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gaya tangensial F yang
bekerja pada sudu roda jalan. Kecepatan pancaran air dari nosel adalah sebagai berikut ;
c1 = 2 ⋅ g ⋅ H
D
jarum katup
d
air tekanan
tinggi
Gambar 11.2 Turbin inpuls dan proses penyemprotan
Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar [gambar 11.4]. Tinggi air jatuh
dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengah-tengah pancaran air. Bentuk sudu
terbelah menjadi dua bagian yang simetris, dengan maksud adalah agar bisa membalikan
pancaran air dengan baik dan membebaslan sudu dari gaya-gaya samping [gambar 11.3].
Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian -bagaian saja scara
bergantian tergantung posisi sudut tersebut. Jumlah noselnya tergantung kepada
besarnya kapasitas air, tiap roda turbin bisa dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6. Adapun
penampang kontruksi sudu jalan dari pelton beserta noselnya dapat dilihat pada gambar
11.2
Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena
pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran air. Pengaturan
nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada
kecepatan tinggi jumlah nosel diperbanyak Hubungan antara jumlah nosel dengan
keceptan sepesifik adalah sebagai berikut.
nq =
nqT
z
dimana nqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm)
z
= jumlah nosel terpasang
Pengaturan nosel pada turbin poros vertikal dan horizontal bisa dilihat pada gambar 11.4
dan 11.5
Gambar 11.3 Roda jalan turbin pelton
63
dam
roda pelton
buket
beda tinggi atau
head air
generator
nosel
air keluar
Gambar 11.4 Instalasi Turbin Pelton poros horizontal
listrik tegangan
tinggi
air waduk
bendungan
atau dam
trafo step up
penstok
generator
head air
katup pengatur
roda pelton
pembuangan
Gambar 11.5 Instalasi turbin pelton poros vertikal
64
buket
jarum katup
deflektor
Gambar 11.6 Pengaturan nosel pada turbin pelton
B. Turbin aliran Ossberger
Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head
yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut,
turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik sekala kecil. Sebagai
alternatif turbin jenis impuls yang bisa beroperasi pada head rendah adalah turbin impuls
aliran ossberger atau turbin crossflow. Pada gambar 11.7 adalah turbin crossflow,
kontruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ;
1. Rumah turbin
2. Alat pengarah
3. Roda jalan
4. Penutup
5. Katup udara
6. Pipa isap
7. Bagian peralihan
Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian
aliran air dari dalam silinder keluar melului sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air
menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air
keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap
pertama.
bagian peralihan
roda jalan
alat pengarah
katup udara
rumah turbin
penutup
pipa isap
Gambar 11.7 Konstruksi dari turbin impuls ossberger
65
silinder sudu
banki
pengarah
Gambar 11.8 Aliran air masuk turbin ossberger
Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi
sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama dengan
turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-sudu pada
tekanan yang sama.
11.2. Turbin Reaksi atau Turbin Tekan Lebih
A. Turbin Francis
Turbin francis adalah termasuk turbin jenis ini [gambar 11.9]. Kontruksi turbin terdiri
dari dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut, semuanya terendam
didalam aliran air. Air pertama masuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan
energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masuk ke sudu
pengarah dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yang semakin turun sampai
roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai dibawah 1
atm. Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara
pemasangan pipa isap.
Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisi pembukaan sudu
pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin bisa diperbesar atau
diperkecil. Turbin francis bisa dipasang dengan poros vertikal dan horizontal [gambar
11.10]
Gambar 11.9 Aliran air masuk turbin Francis
66
Gambar 11.10 Instalasi turbin francis
B. Turbin Kaplan
Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan
prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat
terbang [gambar 10.7]. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan
gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya
putar yang bisa menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada
francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan bisa diputar posisinya untuk menyesuaikan
kondisi beban turbin [gambar 11.11].
Gambar 13.8
Gambar 11.11 Turbin kaplan dengan sudu jalan yang bisa diatur
67
Gambar 11.12 Instalasi pembangkit dengan turbin kaplan
11.3. Perbandingan Karakteristik Turbin
Gambar 11.13
Dapat dilihat pada gambar 11.13 terlihat turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi atau bahkan beroperasi
pada kapasitas yang sangat renah. Hal ini karena sudu-sudu trubin kaplan dapat diatur
secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas
Berkebalikan denga turbin kaplan turbin pelton adalah turbin yang beroperasi
dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai
karakteritik yang berbeda dengan lainnya yaitu turbin francis bisa beroperasi pada head
yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi
68