SIKLUS BRAYTON Fani Putri Utami (11081300), Shelvy Adila El Safura (1108130050), Fira Fauziah Hammur (110813), Nida Fariza Maulanisa (110813)

AbstrakKata Kunci : Siklus Brayton, Siklus Brayton Ideal, Turbin GasPENDAHULUANSiklus Brayton dikembangkan oleh seorang engineer asal Amerika bernama George Brayton pada tahun 1830-1892 untuk mesin pembakaran minyak bolak-balik. Siklus Brayton adalah sebuah siklus termodinamika yang mendeskripsikan kerja dari mesin turbin, gas turbin, atau mesin turbo jet. Pada saat ini banyak digunakan pada mesin turbin gas dengan siklus terbuka. Tetapi untuk memudahkan perhitungan termodinamika dalam perancangan maka dapat dimodelkan sebagai sistem tertutup dengan asumsi standar udara dan penambahan panas dari sumber luar & pembuangan panas ke lingkungan terjadi pada tekanan yang konstan.Siklus Brayton merupakan siklus tenaga yang dapat beroperasi baik secara internal maupun eksternal pada combustion engine.

Gambar 1.Brayton Power CycleI. Komponen

Gambar 2. Sistem Terbuka dan Tertutup Siklus BraytonSebuah mesin Brayton pada gas turbin engine terdiri atas tiga komponen, yaitu: Gas compressor Burner atau combustion chamber Expansion turbine Heat exchanger (hanya pada sistem tertutup)II. Siklus Brayton IdealSiklus Brayton dibagi menjadi siklus terbuka dan siklus tertutup. Pada siklus terbuka, fluida kerja adalah udara atmosfer dan proses pembuangan panas terjadi dalam atmosfer karena keluaran turbin dikeluarkan ke atmosfer. Di dalam siklus tertutup, fluida kerja yang dapat digunakan tidak hanya udara sekitar dan proses pelepasan panas dilakukan dalam heat exchanger. Dalam sistem ini, fluida kerja bersiklus secara kontinyu.Semua internal-combustion dan mesin turbojet beroperasi pada siklus terbuka. Kebanyakan external-combustion beroperasi pada siklus tertutup.

Gambar 3. Diagram P-V dan T-S Siklus Brayton

1. Proses isentropik udara sekitar dimasukkan ke dalam kompresor, dimana udara ditekan.2. Proses isobarik udara terkompresi mengalir melalui ruang pembakaran (combustion chamber), dimana bahan bakar dibakar dan udara dipanaskan. Proses ini merupakan proses tekanan tetap, karena ruang bakar terbuka untuk aliran masuk dan keluar.3. Proses isentropik udara terkompresi dan terpanaskan menyalurkan energinya dan terekspansi melalui turbin. Sejumlah nilai kerja yang dihasilkan oleh turbin digunakan untuk menjalankan kompresor.4. Proses isobaric pelepasan panas ke atmosfer.

Pada siklus Brayton ideal, fluida kerja terkompresi secara reversibel dan isentropik di dalam kompresor (proses 1-2). Panas kemudian ditambahkan dalam proses isobarik (P= Pmax) reversibel (proses 2-3) di dalam ruang pembakaran atau penukar kalor. Gas panas berekspansi secara reversibel dan isentropik (s = smax) dalam turbin (proses 3-4). Kemudian panas dibuang di dalam proses reversibel isobarik (proses 4-1). Siklus Brayton Aktual:1. Proses adiabatik kompresi2. Proses isobarik penambahan panas3. Proses adiabatik ekspansi4. Proses isobarik pelepasan kalorKarena kompresi maupun ekspansi tidak dapat benar-benar isentropik, loss pada kompresor dan ekspander menunjukkan ketidak-efisienan. Secara umum, meningkatkan rasio kompresi adalah cara terbaik untuk meningkatkan tenaga keluaran overall dari sistem Brayton.III. Analisa Energi dan EfisiensiSiklus pada loop tertutup fluida kerja, penambahan dan pengurangan kalor terjadi saat tekanan konstan dan fluida kerja adalah gas ideal dengan specific heat property konstan.Keempat proses yang terjadi pada siklus ini berada dalam aliran fluida berkeadaan tunak sehingga kita menganalisanya dengan batasan keadaan tunak. Disertai pengabaian energi kinetik dan potensial sistem.Karena udara mengalir melalui penukar panas pada siklus ideal saat tekanan konstan, maka berlaku:P4 / P3 = P1 / P2Hubungan antara perbandingan tekanan dan perbandingan temperatur dalam kompresi atau ekspansi isentropik, sebagai berikut:rp = P2 / P1 = (T2 / T1)k/(k-1) Tinjau kembali skema closed cycle gas turbine engine. Dari sana, dapat kita peroleh efisiensi termal dari siklus, sebagai berikut: = (Wturbin / m Wcompressor / m) / (Qin / m) = {(h3 h4) (h2 h1)} / (h3 h2) dengan:(h3 h4) = cp (T3 T4)(h2 h1) = cp (T2 T1)(h3 h2) = cp (T3 T2) = {cp (T3 T4) cp (T2 T1)} / {cp (T3 T2)} = 1 (T4 T1)/(T3 T2) = 1 T1/ T2 * {(T4/T1 1)/(T3/T2 1)Karena T4/T1 = T3/T2, maka = 1 T1/ T2 lalu T1/ T2 = (P1 / P2)(k-1)/k = 1 (P1 / P2)(k-1)/k = 1 1/(P2 / P1)(k-1)/k sedang diketahui bahwa P2 / P1 = rp maka efisiensi teoritis siklus Brayton = 1 1 / rp(k-1)/kdengan k = cp / cv = konstan.Usaha netto satu siklus dideskripsikan awal sebagai berikutWcycle = (h3 h4) (h2 h1)Wcycle = cp {(T3 T4) (T2 T1)}Wcycle = cp T1 (T3/T1 T4/T3 * T3/T1 T2/T1 + 1)Dari persamaan sebelumnya diketahui bahwaT4/T3 = (P1 / P2)(k-1)/k T2/T1 = (P2 / P1)(k-1)/k rp = P2 / P1 = (T2 / T1)k/(k-1) Sehingga persamaan daya efektif siklus menjadiWcycle = cp T1 (T3/T1 1/(rp)(k-1)/k * T3/T1 (rp)(k-1)/k + 1)Wcycle / cp T1 = T3/T1 (1 1/(rp)(k-1)/k) (rp(k-1)/k 1)

IV. Parameter desainParameter siklus penting untuk siklus Brayton sederhana adalah rasio tekanan kompresor rp dan kalor spesifik k. Kenaikan dari kedua parameter ini akan meningkatkan efisiensi dari siklus Brayton sederhana.V. Kalor spesifik (k)Gas-gas yang memiliki rasio nilai kalor tertinggi disebut noble gas seperti helium, neon, argon, dan sebagainya yang merupakan gas monoatomik. Rasio kalor spesifik gas-gas tersebut adalah 5 -3, untuk diatomik bernilai 7-5, dan triatomik bernilai 8-6. Gas nobel merupakan fluida kerja yang excellent karena tidak menyebabkan korosi, dimana nilai kalor terbaik dimiliki helium ketimbang hidrogen.

VI. Rasio tekanan kompresor (rp)Meningkatnya rasio tekanan kompresor akan meningkatkan efisiensi termal dari siklus Brayton sederhana. Jika temperatur masukan turbin diubah karena keterbatasan material, kenaikan rasio tekanan kompresor akan mereduksi kerja spesifik dari siklus yang membutuhkan aliran gas rata-rata lebih tinggi untuk tenaga keluaran yang sama. Memaksa kompresor untuk beroperasi pada range tekanan yang lebih lebar akan mengakibatkan berkurangnya efisiensi mekanik dari kompresor, dan hal ini membuat siklus Brayton aktual menjadi tidak efisien.