SIKLUS DAYA GAS

SIKLUS DAYA GASSiklus Daya UapSiklus Daya GasPENDAHULUANDua area penting dalam aplikasi Termodinamika adalah:Pembangkitan dayaRefrigerasiKeduanya biasanya diikuti dengan sistem yang beroperasi pada siklus termodinamika, yaitu:Siklus dayaSiklus refrigerasiAlat yang digunakan untuk menghasilkan output daya sering disebut dengan istilah mesin (engine) dan siklusnya adalah siklus dayaSiklus termodinamika juga bisa dikategorikan ke dalam siklus gas dan siklus uap, tergantung pada fase dari fluida kerjanya. Pada siklus gas, fluida kerja tetap dalam fase gas selama seluruh siklus, sedangkan pada siklus uap, fluida kerjanya ada pada fase uap di satu bagian dan pada fase cair di bagian yang lain. Siklus termodinamika juga bisa dikategorikan ke dalam siklus tertutup dan siklus terbuka. Dalam siklus tertutup, fluida kerja dikembalikan ke keadaan awal di akhir siklus dan disirkulasikan. Dalam siklus terbuka, fluida kerja tidak disirkulasikan (misalnya pada mesin kendaraan). Mesin itu beroperasi menurut siklus mekanis, tetapi fluida kerjanya tidak menjalani siklus yang lengkap.Mesin kalor, berdasarkan cara kalor diberikan pada fluida kerja:Pembakaran dalamPembakaran luarPertimbangan Dasar Dalam Analisis Siklus DayaPertimbangan Dasar Dalam Analisis Siklus Daya (lanj.)Idealisasi dan penyederhanaan dalam analisis siklus daya:Dalam siklus gesekan diabaikan. Sehingga fluida kerja tidak mengalami penurunan tekanan.Semua proses ekspansi dan kompresi berlangsung secara quasi-equilibrium.Tidak ada perpindahan kalor melalui pipa yang menghubungkan berbagai komponen.Tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial pada fluida kerja.

Siklus CarnotDiagram T-s untuk Siklus Carnot8

Diagram T-s untuk Siklus Carnot9

Contoh soalTunjukkan bahwa efisiensi termal siklus Carnot yang bekerja antara batas temperatur atas TH dan temperatur bawah TL hanya merupakan fungsi dari kedua temperatur itu.Kalor dipindahkan ke sistim selama proses 1-2 dan dibuang dari sistim selama proses 3-4, sehingga jumlah kalor masuk dan keluar untuk siklus di atas adalah:

Karena proses 2-3 dan 4-1 isentropis, maka

10

Asumsi Udara-standarKarena kompleksnya siklus daya gas aktual, maka perlu ada pendekatan berupa asumsi udara-standar:Fluida kerjanya dianggap sepenuhnya udara, yang bersirkulasi dalam siklus tertutup dan dianggap sebagai gas ideal.Semua proses yang membentuk siklus dianggap reversibel secara internal.Proses pembakaran dianggap sebagai proses penambahan kalor dari sumber luar.Proses pembuangan dianggap sebagai proses pelepasan kalor yang mengembalikan fluida kerja ke keadaan awal.Asumsi lain:Udara mempunyai kalor spesifik konstan yang nilainya ditentukan pada temperatur ruang (25oC, atau 77oF). Jika asumsi ini digunakan disebut asumsi udara-standar-dingin.Siklus yang yang menerapkan asumsi udara-standar ini disebut sebagai siklus udara-standar.Tinjauan Terhadap Mesin Bolak-BalikBeberapa istilah yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai mesin bolak-balik (menggunakan piston dan silinder) antara lain:Titik mati atas dan titik mati bawahLangkah dan volume langkahDiameter piston yang disebut dangan bor.Katup hisap dan katup buangVolume sisa (clearance volume)Rasio kompresi, r.Tekanan efektif rata-rata (mean effective pressure), MEP.Siklus OttoSiklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian percikan bunga apiHal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai siklus Otto:Proses-proses yang membentuk siklus OttoMesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai alat yang menerapkan siklus Otto.Diagram P- aktual/nyata untuk mesin empat-langkahEfisiensi termal siklus Otto.Pembakaran-sendiri (auto-ignition) dan ketukan mesin (engine knock), penyebab terjadinya dan cara mengatasinya

14

15

16

17

18

Hubungan hukum I untuk setiap proses:

Efisiensi termalnya menjadi:

Proses 1-2 dan 3-4 isentropis, dan v2=v3; v4=v1, maka

Maka efisiensi termalnya menjadi:

Autoignition: terjadi pembakaran sebelum busi memercikkan api menghasilkan engine knock.Rasio kompresi bisa ditingkatkan sampai 12 dengan menggunakan bahan bakar yang dicampur dengan timah tetraethil. Bahan berfungsi untuk meningkatkan angka oktan.Angka oktan adalah ukuran ketahanan terhadap terjadinya engine knock.Dalam prakteknya efisiensi termal untuk siklus Otto berkisar antara 25% sampai 30%.Contoh SoalSiklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi 8. di awal proses kompresi, udara ada pada 100 kPa dan 17 oC, dan selama proses penambahan kalor pada volume konstan kalor yang ditransfer sebesar 800 kJ/kg,tentukantemperatur dan tekanan maksimum yang terjadi selama sikluskerja output nettoefisiensi termaltekanan efektif rata2

JawabanTemperatur dan tekanan tertinggi terjadi di keadaan 3Dari tabel A-17 (Cengel) diperoleh:Pada T1 = 290 K: u1 = 206,91 kJ/kg, vr1 = 676,1Untuk proses kompresi 1-2:

JawabanUntuk proses 2-3 (penambahan kalor pada volume konstan):

Dari tabel A-17 diketahui, untuk u = 1275,11 kJ/kg maka T = 1575,1 K dan vr3 = 6,108.

JawabanProses 3-4 (ekspansi isentropis gas ideal):

Efisiensi termal:

Tekanan efektif rata2 (MEP)

Siklus DieselSiklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian kompresiHal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai siklus Diesel:Proses-proses yang membentuk siklus DieselMesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai alat yang menerapkan siklus Diesel.Diagram P- aktual/nyata untuk mesin empat-langkahEfisiensi termal siklus Diesel.Kombinasi siklus Otto dan Diesel yang dikenal dengan siklus Dual

Siklus DieselSiklus diesel adalah siklus ideal untuk mesin pengapian-kompresi (CI engine)Mesin ini berbeda dengan mesin pengapian-busi (SI engine) dari cara memulai pembakaran.Pada mesin SI campuran udara-bahan bakar dikompresi sampai temperatur di bawah temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar itu, dan proses pembakaran dimulai oleh pengapian oleh busi.Pada mesin CI dikompresi sampai temperaturnya berada di atas temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar, pembakaran dimulai ketika bahan bakar diinjeksi ke dalamnya.30Siklus DieselKarena udara yang dikompresi sampai di atas temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar, maka rasio kompresinya lebih tinggi dari pada mesin SI, antara 12 dan 24.Proses injeksi bahan bakar dimulai ketika piston mendekati titik mati atas dan berlanjut hingga awal langkah kerja.Proses pembakaran dalam mesin ini berlangsung lebih lama dari pada mesin SI, sehingga proses pembakaran yang ideal didekati dengan proses penambahan kalor pada tekanan konstan.31Mesin CI 4-langkahLangkah HisapPiston bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB), katup hisap terbuka dan katup buang tertutup, sehingga udara terhisap ke dalam ruang bakar.Langkah KompresiPiston bergerak dari TMB ke TMA, katup hisap dan katup buang tertutup, udara dikompresi sampai temperatur di atas temperatur pembakaran-sendiriLangkah Kerja (Pembakaran)Ketika piston mendekati TMA bahan bakar diinjeksi ke ruang bakar dan pembakaran terjadi secara spontan. Kedua katup tertutup, piston bergerak dari TMA ke TMB.Langkah BuangKatup buang terbuka dan katup hisap tertutup, piston bergerak dari TMB ke TMA.32Mesin CI 4-langkah33

Siklus DieselPerbedaannya dari siklus Otto adalah pada proses penambahan kalor, pada siklus Otto penambahan kalor terjadi pada volume konstan, pada siklus Diesel terjadi pada tekanan konstanSiklus Diesel terdiri dari 4 proses, yaitu:Kompresi isentropisPenambahan kalor pada tekanan konstanEkspansi isentropisPembuangan kalor pada volume konstan34Diagram p-v untuk Siklus Diesel35

Kompresi Isentropis36

Penambahan Kalor Pada Tekanan Konstan37

Ekspansi Isentropis38

Pembuangan Kalor Pada Volume Konstan39

Diesel Two Stroke Engine

Contoh SoalSiklus Diesel ideal dengan udara sebagai fluida kerja memiliki rasio kompresi 18 dan rasio cutoff 2. Di awal proses kompresi udara pada keadaan 14,7 psiKisi-kisi Ujian Tengah SemesterPenjelasan lengkap cara kerja Motor bensin 2-langkah.Penjelasan lengkap cara kerja Motor dieselAnalisis Efisiensi motor diesel.Menghitung daya, efisiensi, tekanan dan temperatur maksimum siklus Otto.