turbingas

BAB 2TURBIN LOJI KUASA GAS

BDA 2034:TERMODINAMIK llBAB 2.0: GAS TURBIN

MD ZIN BIN IBRAHIMJabatan Loji dan AutomotifFKMP, UTHM

PENGENALAN

• Turbin gas (turbin pembakaran) merupakan sebuah enjin putar (rotary engine) yang mengekstrak tenaga dari aliran gas pembakaran.

• Ia mempunyai pemampat (bahagian masukan) yang digandingkan dengan turbin (bahagian keluaran) dan ditengah-tengahnya kebuk pembakaran.

• Tenaga ditambah kepada aliran gas di dalam kebuk pembakaran di mana udara dicampur bahan api dan dicucuh (ignited).


• Pembakaran meningkatkan suhu, halaju dan isipadu aliran gas sebelum di arahkan ke muncung (nozzle) melalui bilah turbin yang memusingkan turbin dan menjalankan pemampat.

• Tenaga ini diekstrak dalam bentuk kuasa syaf, tujahan dan digunakan untuk menjalankan pesawat terbang, keretapi, kapal, kenderaan malah kereta kebal.

PENGENALAN


APLIKASI GAS TURBIN

ENJIN PESAWAT TERBANG ENJIN KENDERAAN-Rover


ENJIN MOTOSIKAL-MTT Superbike

LOJI KUASA

KERETA KEBAL-M1 Abrarams

APLIKASI GAS TURBIN



KITAR GAS TURBIN/TURBINE GAS CYCLE Turbin gas merujuk kepada gas hasil pembakaran (ekzos gas) digunakan

sebagai bendalir kerja. Gas hasil pembakaran (tenaga yang dihasilkan) berupaya menjadi dandang

(haba di bekalkan). Tidak perlu menggunakan haba untuk memanaskan bendalir bekerja di dalam dandang(injin jet)

Rajah 2.1(a) menunjukkan Rajah skimatik sistem turbin gas dan Rajah 2.1(b) menunjukkan Rajah T-s kitar turbin gas.

Rajah 2.1(b): Gambarajah T-s Kitar Turbin Gas

Air Inlet

CC

ExhaustS(kJ/kgK)

T(K)

44’

3

2 2’

1

Rajah 2.1(a) Rajah Skimatik Turbin Gas

P2

P1C T

DUA JENIS KITAR TURBIN GAS • (i) KITAR BRAYTON (ll) KITAR ATKINSON

Kitar Asas Brayton atau Kitar JouleKitar ini telah dicadangkan oleh seorang jurutera Amerika bernama George Bryton pada tahun 1870. Kitar ini terdiri daripada komponen berikut :– Sebuah pemampat yang menerima udara daripada sekitaran.– Kebuk pembakaran untuk pembakaran– Sebuah turbin untuk menghasilkan kuasa– Ia merupakan kitar terbuka.

Compressor

1

2

Fresh air

CombustionChamber 3

Fuel

Turbine

4

Exhaust gas

Wnet

Shaft


P1

P2


Kitar Asas Brayton atau Kitar Joule Tekanan Malar- Pembakaran atau pembekalan haba terjadi semasa tekanan

malar Rajah 2.2(a) menunjukkan Gambarajah P-v dan Rajah 2.2(b) menunjukkan T-s

Kitar Brayton

S(kJ/kgK)

T(K)

44’

3

2 2’

1

Rajah 2.2(b): Gambarajah T-sRajah 2.2(a): Gambarajah P-v

V(m3/kg)

P(bar)

Pv=C

1

2

4

3


Kitar Atkinson Isipadu Malar – Pembakaran atau Pembekalan Haba terjadi semasa isipadu malar

manakala pembuangan haba terjadi semasa tekanan malar. Rajah 2.3(a) dan Rajah 2.3(b) menunjukkan kitar Atkinson

Rajah 2.3(b): Rajah T-s

P=malar

V = malar

S(kJ/kgK)

T(K)

44’

3

2 2’

1

P(bar)

Rajah 2.3(a): Rajah P-v

3

2

14

V(m3/kg)


Kitar Turbin Gas Terbuka Kitar terbuka udara digunakan untuk membakar bahanapi dan peranti

pembuangan haba tidak diperlukan lagi kerana sesudah mengembang gas itu boleh dibuang terus ke atmosfera dan yang masuk kedalam pemampat adalah udara baru.

Tiada kebuk Pembakaran, Q23 Tiada Penukar Haba, Q14

Kecekapan Kitar Piawai Kecekapan Kitar, th= Wnet/Qin Kerja masukkan pemampat, W12 = Cp (T2-T1) Haba Bekal Kebuk Pembakaran (CC), Q23 = Cp(T3-T2) Kerja Keluaran Turbin, W34 = Cp (T3-T4) Oleh itu, th = W34 –W12 Q32 = Cp (T3-T4) –Cp (T2-T1) Cp (T3-T2) = 1- (T4-T1)/(T3-T2) Kecekapan Kitar Piawai boleh juga ditentukan dengan mendapatkan hubungan

suhu masukkan ke pemampat, T1 dan suhu yang keluar dari pemampat, T2 dan suhu yang masuk ke turbin, T3 dan suhu yang keluar dari turbin, T4.

S(kJ/kgK)

T(K)

44’

3

2 2’

1

MODIFIKASI KITARDengan adanya Air Standard Assumption, maka terdapat modifikasi terhadap kitar daripada kitar terbuka menjadi kitar tertutup.

Air Standard AssumptionKeseluruhan proses adalah adiabatik boleh balik.Proses pembakaran digantikan dengan proses penambahan haba.Proses penyingkiran gas ekzos digantikan dengan penyingkiran haba1-2 : Pemampatan seentropi2-3 : P= constant dengan pembekalan haba3-4 : Pengembangan isentropik4-1 : P= constant dengan penyingkiran haba



KITAR TURBIN TERTUTUP Keadaan 1- hanya udara dimampatkan Keadaan 2- udara dipanaskan dari luar Keadaan 3- udara dikembangkan di dalam turbin Keadaan 4- Udara disejukan ke T1 Merujuk Rajah 2.4

• Pemampat W12 = h1-h2 = Cp(T1-T2)

• Pembekal Haba Q23 = h2-h3 = Cp (T2-T3)

• Kerja Turbin W34 = h3-h4 = Cp(T3-T4)

• PenukarHaba Q41 = h4-h1 =Cp(T4-T1)

ExhaustAir Inlet

CC

Rajah 2.4: Skimatik Kitar Tertutup

C T

1

2

4

3

Rajah Susunatur Loji dan Gambarajah T-s bagi Kitar Tertutup


1

S(kJ/kgK)

T(K)

44’

3

2 2’

Exhaust(Air)Air Inlet (Fresh Air)

CC

Gambarajah Skimatik Kitar Tertutup

1

32

4

CC=combustion chamber HE= Heat Exchanger

TurbineCompressor

HE

Rajah Gambarajah T-s Kitar Tertutup


• Jika Pemampatan Terjadi secara seentropi dan nisbah mampatan adalah (P1/P2), maka T2 boleh dioerolehi dengan menggunakan perhubungan P dan T untuk proses adiabatik boleh balik, Iaitu;

Definisi Nisbah tekanan adalah nisbah tekanan keluaran terhadap tekanan masukkan.(Pmax/Pmin=P1/P2)

dan

• Di mana, = Cp/Cv

• Oleh itu hubungan nisbah tekanan ialah,

• Maka,

• Oleh Itu kecekapan Termal,

1

1

2

1

2

P

P

T

T

1

3

4

3

4

P

P

T

T

1

2

4

3

P

P

P

Pn p

11

4

3

1

2

T

T

T

T

2

1

2

32

1

41

1

1

1

1T

T

T

TT

T

TT

th


• Bagi Kecekapan turbin dan pemampat seentropi dengan mengabaikan perubahan tenaga kinatik dan tenaga potensi,

• Kecekapan seentropi Pemampat, isp = Kerja Pemampatan Seentropi

Kerja Pemampatan Sebenar

=Cpa(T2-T1)/Cpa(T2’-T1)

• Kecekapan seentropi Turbin, ist = Kerja Pegembangan sebenar

Kerja Pegembangan Seentropi

• Kecekapan Termal, ist= Wturbin – Wpemampat

Qmasuk

• Kerja Bersih Turbin, Wnet = Wturbin – Wpemampat

• Nisbah Kerja = Wturbin – Wpemampat

Wturbin


• Contoh 2.1:Sebuah Turbin gas mempunyai nisbah tekanan

6/1 dan suhu maksimum kitar ialah 600°C. Kecekapan seentropi untuk pemampat dan turbin masing-masing 0.82 dan 0.85. Kirakan kuasa keluaran dalam kWJ dari sebuah generator elektrik yang tergear ke turbin apabila udara memasuki pemampat pada 15°C dengan kadar 15 kg/s. Ambil Cpa = 1.005kJ/kgK dan =1.4 untuk proses pemampatan dan Cpg = 1.11 kJ/kgK dan = 1.333 untuk proses pegembangan.


Contoh 2.2Sebuah turbin gas bekerja dengan nisbah tekanan 5/1 dan suhu maksimum adalah 670°C. Kecekapan seentropi pemampatan ialah 0.88 dan pegembangan 0.90. Jika kadaralir jisim udara yang digunakan ialah 25kg/s dan suhu udara masuk ke pemampat ialah 25°C, tentukan kuasa janakuasa elektrik yang digerakkan oleh turbin ini. Tentukan juga kecekapan terma loji dan nisbah kerjanya. Abaikan pengaruh jisim bahanapi dan kesusutan tekanan. Ambil Cpa =1.005 kJ/kgK dan = 1.4 bagi udara dan Cpg=1.11 kJ/kgK dan = 1.34 bagi gas.

Shaft

Air Inlet

CC

Exhaust


• Loji Turbin Gas – 2 –peringkat pegembangan -2 turbin. Turbin tekanan tinggi atau turbin pemampat-memacu pemampat Turbin tekanan Rendah atau turbin kuasa untuk memikul bebanan luar. Rajah 2.5(a) dan Rajah 2.5(b) menunjukkan Rajah Skimatik dan Rajah T-s

kitar turbin 2-peringkat.

Rajah 2.5(a) Rajah Skimatik Turbin Gas 2- peringkat Pegembangan

5

5’

S(kJ/kgK)

T(K)

4

4’

3

2 2’

1

P2

P1

Pi

Rajah 2.5(b) Kitar Loji Gas 2- peringkat Pegembangan

C THP

TLP

1

32

5’

4’


• Merujuk kepada Rajah 2.5(a), Kerja turbin tekanan tinggi, WTHP sama dengan kerja pemampat, Wc

WTHP = Wc Cpg(T3-T4’) = Cpa(T2’-T1) Oleh itu kecekapan terma,TH = Wnet = WTLP Qbekal Q2’3TH = Cpg(T4’-T5’) Cpa(T3-T2’) • Ini kerana WTLP mengerakkan beban luar maka

WTLP=Wnet


• Contoh 2.3:• Sebuah Turbin mengambil udara pada 17°C dan 1.01bar

dan nisbah tekanan ialah 8/1. Pemampat dipacu oleh turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah memacu aci yang berasingan. Kecekapan seentropi untuk pemampat, turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah masing-masing adalah 0.8, 0.85, dan 0.83. Kirakan,

i. Tekanan dan suhu gas yang masuk ke dalam turbin Ii.Kuasa yang dijana kg/s aliran jisim Iii.Nisbah Kerja dan Iv. Kecekapan terma jika suhu maksimum kitaran ialah

650’C. Ambil Cp=1.005kJ/kgK dan =1.4 bagi proses mampatan, Bagi Proses pembakaran dan pegembangan, Cp=1.15 kJ/kgK dan =1.333. Abaikan jisim bahan api.


• Pengubahsuaian Kitar Asal Loji Tujuan-meningkatkan kecekapan terma kitar dengan suhu

maksimum sistem melebihi 1100’C dan beberapa proses terhadap bendalir bekerja dilakukan bagi meningkatkan nisbah kerja. Di antaranya ialah:.

Pendingin Antara(Intercooling) –di antara peringkat pemampat

Pemanasan Semula(Reheat)- di antara peringkat turbin. Pemanasan semula akan dapat meningkatkan Nisbah Kerja tetapi kecekapan haba akan menurun. Oleh itu Perlu;

Penukar Haba(Heat Exchanger)-di antara peringkat pemampat.


• Pendingin Antara/Penyejuk Antara/Intercooling Rajah 2.6(a) menunjukkan skimatik loji pemampat berperingkat dengan

penyejuk antara dan Rajah 2.6(b) menunjukkan pengubahsuaian kitar dengan penyejuk antara pemampat.

Shaft

Air Inlet

IC

Exhaust

Net PowerOut Put

P1 A’A

6

6’

S(kJ/kgK)

T(K)

44’

5

2 2’

1

P2

Rajah 2.6(a): Skimatik Loji pemampat berperingkat dengan Pendingin Antara

Rajah 2.6(b): Kitar Loji pemampat berperingkat dengan Pendingin Antara

T

16’

45

3

2

Qin=Q54’ dengan penyejuk antaraQin=Q5A’ tanpa penyejuk antara

CLPCHP


Merujuk kepada Rajah 2.6(a) dan Rajah 2.6(b): Kerja Masukkan/mampatan dengan pendingin antara:. W1234’ = W12’ + W34’ = Cp(T2’-T1) + Cp(T4’-T3) Kerja masukkan/mampatan tanpa pendingin antara: WA1 = W2’1 + WA’2’ =Cp(T2’-T1)+Cp(TA’-T2’) Manakala Haba yang diperlukan oleh Loji, Q5A’ = Cpg(T5-TA’) tanpa penyejuk antara dan Dengan Penyejuk antara, Q54’ = Cpg(T5-T4’) Perbandingan di antara pendingin antara dan tanpa pendingin antara

menunjukkan haba yang diperlukan adalah lebih tinggi dengan pendingin antara tetapi Kerja Bersih dan Nisbah Kerja akan meningkat.

Nisbah kerja = Kerja bersih keluaran/Kerja kasar keluaran =(Kerja pegembangan-Kerja mampatan)/(Kerja Pegembangan)

N.K = Cpg(T5-T6’)-Cpa(TA’-T1) Cpg(T5-T6’)


• Pemanasan Semula(Reheat)• Pertimbangkan Rajah 2.7(a) dan Rajah 2.7(b) yang menunjukkan skimatik dan kitar

Loji turbin gas dengan pemanasan semula.

Shaft

Air Inlet

CC1

Exhaust

Net PowerOut Put

THP C TLP

CC2

5

4

4’ P1

A

A’

S(kJ/kgK)

T(K)

22’

3

1

P2

Rajah 2.7(a): Skimatik Loji dengan Pemanasan Semula antara Turbin

Rajah 2.7(b): Gambarajah T-s dengan Pemanasan Semula antara Turbin

1

34 5

6

66’

2

W56’ = Cpg(T5-T6’) dengan pemanasan semulaW4’A’ =Cpg(T4’-TA’) tanpa pemanasan semula


• Gas yang keluar dari turbin tekanan tinggi dipanaskan semula di dalam kebuk pembakaran/combustion chamber sebelum masuk ke turbin tekanan rendah di dapati akan menghasilkan nisbah kerja yang lebih tinggi.

• Merujuk kepada Rajah 2.7(a) dan Rajah 2.7(b);• Dengan mengabaikan tiada kehilangan mekanikal, kerja keluaran turbin tekanan

tinggi ialah,• W12’ = W34’• Oleh itu Cpa(T2’-T1) = Cpg(T3-T4’)• Kerja keluaran bersih turbin tekanan rendah dengan pemanasan semula, iaitu W56’ =

Cpg(T5-T6’), dan• Kerja Keluaran bersih turbin tekanan rendah tanpa pemanasan semula, W4’A’

=Cpg(T4’-TA’)

• Di dapati biasanya T5>T4’ maka perbezaan suhu (T5-T6’) > (T4’-TA’); maka pemanasan semula meningkatkan kerja bersih keluaran turbin tekanan rendah.

• Nisbah Kerja, N.K = Kerja Pegembangan –Kerja mampatan• Kerja Pegembangan• Haba yang dibekalkan =Cpg(T3-T2’) + Cpg(T5-T4’)• Walaubagaimanapun suhu gas yang meningalkan turbin tekanan rendah, T6’ lebih

tinggi dengan menggunakan pemanasan semula iaitu, (T6’>TA’) Oleh itu sebahagian tenaga daripada Penukar haba yang keluar dari gas itu boleh digunakan semula.


• Penukar Haba/Heat Exchanger Pertimbangkan Rajah 2.8(a) skimatik Loji dan Rajah 2.8(b) kitar Loji dengan

Penukar haba. (Kecekapan Penukar haba 100% jika T3=T5’ dan T2’=T6)

Net OutPut

5’

T2’=T6

4

P1

6

5

S(kJ/kgK)

T(K)

22’

3

1

P2

T3=T5’

Rajah 2.8(a): Gambarajah T-s Loji dengan Penukar Haba

Exhaust

Air Inlet

CT

Rajah 2.8(a): Skimatik Loji dengan Penukar Haba

6

52

1

3 4

HE

CC


• Merujuk kepada Rajah 2.8(a) dan Rajah 2.8(b) • Secara unggulnya udara boleh dipanaskan daripada T2’ sehingga T3=T5’

dan gas disejukkan daripada T5’ kepada T6=T2’. Tetapi secara praktisnya adalah mustahil maka pengubahsuaian kitar adalah seperti di dalam Rajah 2.9.

• Merujuk kepada Rajah 2.9;.• Perbezaan antara suhu udara dan gas yang masuk ke penukar haba ialah

(T6-T2’) dan perbezaan suhu yang diperlukan antara gas dan udara yang meninggalkan penukar haba ialah (T5’-T3).

5’

4

P1

65

S(kJ/kgK)

T(K)

22’

3

1

P2

ab

Rajah 2.9: Gambarajah T-s Loji untuk unit turbin dengan penukar haba menunjukkan perbezaan suhuh

a=T3-T2’ dan b=T5’-T2’Oleh itu Kecekapan penukar haba, ηHE=a/b

ηHE=)(

)(

'2

'5

.

'23

.

TTCm

TTCm

pgg

paa


• Jika tiada kehilangan haba daripada penukar haba kepada atomospera dan haba yang dibekalkan adalah sama dengan haba yang dibuang kepada udara;

• Maka

•

• Oleh itu keberkesanan penukar haba boleh ditakrifkan ;

• Kecekapan = Haba yang diterima oleh udara =

Penukar Haba Haba Maksimum yang dipindahkan• Kepada penukar haba

• Nisbah Terma, N.T = Kenaikan suhu udara =

• Beza suhu maksimum tersedia

• Merujuk kepada Rajah 2.9

• Haba yang dibekalkan oleh bahanapi tanpa penukar haba = Cpg(T4-T2’), dan

• Haba yang dibekalkan oleh bahanapi dengan penukar haba = Cpg(T4-T3)

• Oleh itu didapati dengan menggunakan penukar haba, haba yang dibekalkan berkurangan iaitu, Q43=Cpg(T4-T3);.(T4 > T3) Oleh itu kecekapan termal bertambah

)()( 6'

5

.'

23

.

TTCmTTCm pggpaa

)(

)(

'2

'5

.

'23

.

TTCm

TTCm

pgg

paa

)(

)('

2'

5

'23

TT

TT


• Contoh 2.4 Sebuah set penjana turbin gas 5000 kW beroperasi dengan dua pemampat

dengan pendingin antara di antara pemampat. Nisbah tekanan keseluruhan ialah 9/1. sebuah turbin tekanan tinggi digunakan untuk memacu pemampat tersebut dan sebuah turbin tekanan rendah digunakan untuk memacu janakuasa elektrik. Suhu yang masuk ke turbin tekanan tinggi ialah 650’C dan gas ini dipanaskan semula kepada 650’C. Selepas proses pegembangan di dalam turbin pertama(LP), gas ekzos yang dilintaskan kepada sebuah penukar haba untuk memanaskan udara yang meninggalkan pemampat peringkat tekanan tinggi. Pemampat-pemampat ini mempunyai nisbah tekanan yang sama dengan proses pendingin antara dan proses adalah lengkap antara peringkat. Suhu udara yang masuk ke unit ini ialah 15’C. Kecekapan seentropi untuk tiap-tiap peringkat pemampat ialah 0.8 dan kecekapan seentropi untuk tiap-tiap turbin ialah 0.85 dan nisbah penukar haba ialah 0.75. Boleh dianggapkan bahawa kecekapan untuk kedua-dua aci kuasa dan aci pemampat turbin ialah 98%. Dengan mengabaikan semua kesusutan tekanan dan perubahan tenaga kinatik dan potensi, Kirakan:

(i) kecakapan terma (ii) Nisbah kerja (iii) Aliran jisim dalam unit kg/sAmbil Cp 1.005 kJ/kgK dan = 1.4 untuk untuk udara. Ambil Cp = 1.15 kJ/kgK dan

=1.333 Bagi turbin, penukar haba dan kebuk pembakaran. Abaikan jisim


• Kesan Kesusutan Tekanan. Seperti dalam contoh 2.4, semua kesan

kehilangan tekanan di abaikan. Di dalam unit gas turbin sebenar berlakunya kesusutan tekanan di sebabkan geseran dan gelora di dalam penyejuk antara dan pembebasan haba keudara sekitar pada kebuk pembakar, penukar haba dan saluran ekzos. Kadar pemindahan haba yang tinggi terjadi di dalam kebuk pembakaran di sebabkan peningkatan halaju bendalir kerja di dalam saluran.


• Contoh 2.5:Merujuk kepada penyelesaian 2.4: kirakan

semula kecekapan dan nisbah kerja dengan mengambil kira kehilangan tekanan. Tekanan udara dalam penukar haba 0.3 bar, tekanan gas dalam penukar haba dan salur 0.005 bar, tekanan pada penyejuk antara 0.15 bar dan tiap-tiap kebuk pembakaran ialah 0.2 bar.

Ambil tekanan atm ialah 1.01 bar dan nisbah tekanan bagi pemampat ialah 3:1. Kirakan nisbah keseluruhan tekanan pemampat.

turbingas

Documents