siklus otto
TRANSCRIPT
SIKLUS DAYA GAS
• Siklus Daya Uap• Siklus Daya Gas
PENDAHULUAN• Dua area penting dalam aplikasi Termodinamika adalah:
– Pembangkitan daya– Refrigerasi
• Keduanya biasanya diikuti dengan sistem yang beroperasi pada siklus termodinamika, yaitu:– Siklus daya– Siklus refrigerasi
• Alat yang digunakan untuk menghasilkan output daya sering disebut dengan istilah mesin (engine) dan siklusnya adalah siklus daya
• Siklus 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 dalam– Pembakaran luar
Pertimbangan Dasar Dalam Analisis Siklus Daya
•
Pertimbangan 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 Carnot
•
Diagram T-s untuk Siklus Carnot
8
Diagram T-s untuk Siklus Carnot
9
Contoh soal• Tunjukkan 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
)(;)( 1212 ssTqssTq LoutHin
H
L
H
L
in
out
in
netth T
T
ssT
ssT
q
q
q
w
1)(
)(11
12
12
Asumsi Udara-standar• Karena kompleksnya siklus daya gas aktual, maka perlu ada pendekatan
berupa asumsi udara-standar:1. Fluida kerjanya dianggap sepenuhnya udara, yang bersirkulasi dalam siklus
tertutup dan dianggap sebagai gas ideal.2. Semua proses yang membentuk siklus dianggap reversibel secara internal.3. Proses pembakaran dianggap sebagai proses penambahan kalor dari
sumber luar.4. Proses pembuangan dianggap sebagai proses pelepasan kalor yang
mengembalikan fluida kerja ke keadaan awal.• Asumsi lain:
1. 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-Balik
• Beberapa istilah yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai mesin bolak-balik (menggunakan piston dan silinder) antara lain:1. Titik mati atas dan titik mati bawah2. Langkah dan volume langkah3. Diameter piston yang disebut dangan bor.4. Katup hisap dan katup buang5. Volume sisa (clearance volume)6. Rasio kompresi, r.7. Tekanan efektif rata-rata (mean effective pressure), MEP.
Siklus Otto• Siklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian
percikan bunga api• Hal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai
siklus Otto:1. Proses-proses yang membentuk siklus Otto2. Mesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai
alat yang menerapkan siklus Otto.3. Diagram P-ν aktual/nyata untuk mesin empat-langkah4. Efisiensi termal siklus Otto.5. 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:
1414
2323
TTCuuq
TTCuuq
uwwqq
vout
vin
outinoutin
1
111
232
141
23
14,
TTT
TTT
TT
TT
q
w
in
netOttoth
• Proses 1-2 dan 3-4 isentropis, dan v2=v3; v4=v1, maka
• Maka efisiensi termalnya menjadi:
3
4
1
4
3
1
1
2
2
1
T
T
v
v
v
v
T
Tkk
2
1
2
1
min
max
1,
11
v
v
V
V
V
Vr
r kOttoth
• 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 Soal
• Siklus 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,tentukan– temperatur dan tekanan maksimum yang terjadi
selama siklus– kerja output netto– efisiensi termal– tekanan efektif rata2
Jawaban
a) Temperatur dan tekanan tertinggi terjadi di keadaan 3– Dari tabel A-17 (Cengel) diperoleh:• Pada T1 = 290 K: u1 = 206,91 kJ/kg, vr1 = 676,1
– Untuk proses kompresi 1-2:
kgkJuKT
vrv
v
v
vr
r
r
/11,475;4,652
51,848
1,6761
22
21
2
1
2
Jawaban
– Untuk 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.
kgkJuquuuq inin /11,12752323
MPav
v
T
TPP
T
vP
T
vP347,4
3
2
2
323
2
22
3
33
Jawaban
b) Proses 3-4 (ekspansi isentropis gas ideal):
c) Efisiensi termal:
kgkJuKT
vrv
v
v
vr
r
r
/74,588;6,795
864,48)108,6)(8(
44
43
4
3
4
kgkJw
kgkJquuq
net
outout
/17,418
/83,38141
%5,561
1
%3,52800
17,418
1,
kOttoth
in
netth
r
q
w
d. Tekanan efektif rata2 (MEP)
kPavv
w
v
wMEP netnet 4,574
104,0832,0
17,418
21
kgm
kPa
KKkgmkPa
P
RTv
/832,0
100
290../.287,0
3
3
1
11
Siklus Diesel• Siklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian
kompresi• Hal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai
siklus Diesel:1. Proses-proses yang membentuk siklus Diesel2. Mesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai
alat yang menerapkan siklus Diesel.3. Diagram P-ν aktual/nyata untuk mesin empat-langkah4. Efisiensi termal siklus Diesel.5. Kombinasi siklus Otto dan Diesel yang dikenal dengan
siklus Dual
Siklus Diesel
• Siklus 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.
30
Siklus Diesel
• Karena 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.
31
Mesin CI 4-langkah1. Langkah Hisap
Piston 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.
2. Langkah KompresiPiston bergerak dari TMB ke TMA, katup hisap dan katup buang tertutup, udara dikompresi sampai temperatur di atas temperatur pembakaran-sendiri
3. Langkah 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.
4. Langkah BuangKatup buang terbuka dan katup hisap tertutup, piston bergerak dari TMB ke TMA.
32
Mesin CI 4-langkah
33
Siklus Diesel
• Perbedaannya dari siklus Otto adalah pada proses penambahan kalor, pada siklus Otto penambahan kalor terjadi pada volume konstan, pada siklus Diesel terjadi pada tekanan konstan
• Siklus Diesel terdiri dari 4 proses, yaitu:– Kompresi isentropis– Penambahan kalor pada tekanan konstan– Ekspansi isentropis– Pembuangan kalor pada volume konstan
34
Diagram p-v untuk Siklus Diesel
35
Kompresi Isentropis
36
Penambahan Kalor Pada Tekanan Konstan
37
Ekspansi Isentropis
38
Pembuangan Kalor Pada Volume Konstan
39
Diesel Two Stroke Engine
1441
2323
23232
23,
dan,
TTCquuq
TTChh
uuvvPq
uuwq
voutout
p
in
outbin
1
111
maka , ratio, cutoff Jika
1
111
1
1Dieselth,
2
3
232
141
23
14
,
c
kc
k
c
in
out
in
netDieselth
rk
r
r
v
vr
TTkT
TTT
TTk
TT
q
q
q
w
Contoh Soal
• Siklus Diesel ideal dengan udara sebagai fluida kerja memiliki rasio kompresi 18 dan rasio cutoff 2. Di awal proses kompresi udara pada keadaan 14,7 psi
Kisi-kisi Ujian Tengah Semester
• Penjelasan lengkap cara kerja Motor bensin 2-langkah.
• Penjelasan lengkap cara kerja Motor diesel• Analisis Efisiensi motor diesel.• Menghitung daya, efisiensi, tekanan dan
temperatur maksimum siklus Otto.