SIKLUS BRAYTON: PROSES, EFISIENSI, APLIKASI, LATIHAN - FISIK - 2025

The siklus Brayton adalah siklus termodinamika yang terdiri dari empat proses dan diterapkan pada kompresibel cairan seperti termodinamika sebagai gas. Penyebutan pertamanya berasal dari akhir abad ke-18, meskipun itu beberapa waktu sebelum pertama kali dikemukakan oleh James Joule. Inilah sebabnya mengapa ini juga dikenal sebagai siklus Joule.

Ini terdiri dari tahap-tahap berikut, yang dengan mudah diilustrasikan dalam diagram volume-tekanan pada gambar 1: kompresi adiabatik (tidak ada panas yang ditukar), ekspansi isobarik (terjadi pada tekanan konstan), ekspansi adiabatik (tidak ada panas yang ditukar) dan kompresi isobarik (terjadi pada tekanan konstan).

Gambar 1. Siklus Brayton. Sumber: buatan sendiri.

Proses dan deskripsi

Siklus Brayton adalah siklus termodinamika ideal yang paling baik diterapkan untuk menjelaskan operasi termodinamika turbin gas dan campuran bahan bakar udara, yang digunakan untuk pembangkitan energi listrik dan mesin pesawat.

Gambar 2. Diagram turbin dan tahapan aliran. Sumber: buatan sendiri.

Sebagai contoh, dalam pengoperasian sebuah turbin terdapat beberapa tahapan dalam pengoperasian aliran gas, yang akan kita lihat di bawah ini.

Penerimaan

Ini terdiri dari masuknya udara pada suhu dan tekanan sekitar melalui lubang masuk turbin.

Kompresi

Udara dikompresi dengan memutar bilah ke bilah tetap di bagian kompresor turbin. Kompresi ini sangat cepat sehingga praktis tidak terjadi pertukaran panas, sehingga dimodelkan dengan proses adiabatik AB dari siklus Brayton. Udara yang keluar dari kompresor meningkatkan tekanan dan suhunya.

Pembakaran

Udara dicampur dengan gas propana atau bahan bakar bubuk yang dimasukkan melalui injektor ruang bakar. Campuran tersebut menghasilkan reaksi kimia berupa pembakaran.

Reaksi inilah yang memberikan panas yang meningkatkan suhu dan energi kinetik partikel gas yang mengembang di ruang bakar pada tekanan konstan. Pada siklus Brayton langkah ini dimodelkan dengan proses BC yang terjadi pada tekanan konstan.

Ekspansi

Di bagian turbin itu sendiri, udara terus mengembang melawan bilah turbin, menyebabkannya berputar dan menghasilkan kerja mekanis. Pada langkah ini, udara menurunkan suhunya tetapi tanpa pertukaran panas dengan lingkungan secara praktis.

Dalam siklus Brayton langkah ini disimulasikan sebagai proses ekspansi adiabatik CD. Sebagian pekerjaan turbin dialihkan ke kompresor dan sebagian lainnya digunakan untuk menggerakkan generator atau baling-baling.

Melarikan diri

Udara yang keluar berada pada tekanan konstan yang sama dengan tekanan ambien dan mentransfer panas ke massa udara eksternal yang sangat besar, sehingga dalam waktu singkat ia mengambil suhu yang sama dengan udara masuk. Dalam siklus Brayton langkah ini disimulasikan dengan proses DA tekanan konstan, menutup siklus termodinamika.

Efisiensi sebagai fungsi suhu, panas dan tekanan

Kami mengusulkan untuk menghitung efisiensi siklus Brayton, yang kami mulai dari definisinya.

Dalam mesin kalor, efisiensi didefinisikan sebagai kerja bersih yang dilakukan oleh mesin dibagi dengan energi panas yang disuplai.

Prinsip pertama termodinamika menyatakan bahwa panas bersih yang dikontribusikan ke gas dalam proses termodinamika sama dengan perubahan energi internal gas ditambah usaha yang dilakukan oleh gas.

Tetapi dalam siklus lengkap variasi energi dalam adalah nol, sehingga kalor bersih yang dikontribusikan dalam siklus sama dengan kerja bersih yang dilakukan.

Panas masuk, panas keluar dan efisiensi

Ekspresi sebelumnya memungkinkan kita untuk menulis efisiensi sebagai fungsi dari panas yang diserap atau masuk Qe (positif) dan panas yang ditransfer atau keluar Qs (negatif).

Panas dan tekanan dalam siklus Brayton

Dalam siklus Brayton, panas memasuki proses isobarik BC dan keluar dalam proses isobarik DA.

Dengan asumsi bahwa n mol gas pada tekanan konstan yang disuplai kalor sensibel Qe padanya dalam proses BC, maka suhunya meningkat dari Tb ke Tc sesuai dengan hubungan berikut:

Panas keluar Qs dapat dihitung dengan cara yang sama dengan hubungan berikut yang berlaku untuk proses tekanan konstan DA:

Mengganti ekspresi ini dalam ekspresi yang memberi kita efisiensi sebagai fungsi dari panas masuk dan panas keluar, membuat penyederhanaan yang bersangkutan, hubungan berikut untuk efisiensi diperoleh:

Hasil yang disederhanakan

Ini memungkinkan untuk menyederhanakan hasil sebelumnya jika kita memperhitungkan bahwa Pa = Pd dan Pb = Pc mengingat bahwa proses AD dan BC adalah isobarik, yaitu pada tekanan yang sama.

Selanjutnya, karena proses AB dan CD adalah adiabatik, rasio Poisson terpenuhi untuk kedua proses tersebut:

Dimana gamma mewakili hasil bagi adiabatik, yaitu hasil bagi antara kapasitas panas pada tekanan konstan dan kapasitas panas pada volume konstan.

Dengan menggunakan hubungan ini dan hubungan dari persamaan gas ideal, kita dapat memperoleh ekspresi alternatif untuk rasio Poisson:

Seperti yang kita ketahui bahwa Pa = Pd dan Pb = Pc, mensubstitusi dan membagi anggota dengan anggota, hubungan antara suhu berikut diperoleh:

Jika setiap anggota persamaan sebelumnya dikurangi satu, selisihnya terselesaikan dan suku-suku tersebut disusun, maka dapat ditunjukkan bahwa:

Kinerja sebagai fungsi dari rasio tekanan

Ekspresi yang diperoleh untuk efisiensi siklus Brayton sebagai fungsi temperatur dapat ditulis ulang untuk dirumuskan sebagai fungsi rasio tekanan pada outlet dan inlet kompresor.

Ini dicapai jika rasio Poisson antara titik A dan B dikenal sebagai fungsi tekanan dan suhu, diperoleh bahwa efisiensi siklus dinyatakan sebagai berikut:

Rasio tekanan tipikal adalah 8. Dalam hal ini siklus Brayton memiliki hasil teoritis 45%.

Aplikasi

Siklus Brayton sebagai model diterapkan pada turbin gas yang digunakan pada pembangkit listrik tenaga termoelektrik untuk menggerakkan generator yang menghasilkan listrik.

Ini juga merupakan model teoritis yang sangat cocok dengan pengoperasian mesin turboprop yang digunakan di pesawat terbang, tetapi tidak berlaku sama sekali di turbojet pesawat.

Ketika Anda ingin memaksimalkan kerja yang dihasilkan oleh turbin untuk menggerakkan generator atau baling-baling pesawat, maka diterapkan siklus Brayton.

Gambar 3. Mesin turbofan lebih irit dari pada turbojet. Sumber: Pixabay

Sebaliknya, dalam turbojet pesawat, tidak ada minat untuk mengubah energi kinetik gas pembakaran untuk menghasilkan kerja, yang cukup untuk mengisi ulang turbocharger.

Sebaliknya, menarik untuk mendapatkan energi kinetik tertinggi dari gas yang dikeluarkan, sehingga sesuai dengan prinsip aksi dan reaksi, momentum pesawat diperoleh.

Latihan terselesaikan

-Latihan 1

Sebuah turbin gas dari jenis yang digunakan di pembangkit listrik termoelektrik memiliki tekanan pada keluaran kompresor 800 kPa. Temperatur gas yang masuk ambient 25 Celcius, dan tekanan 100 kPa.

Di ruang bakar suhu naik menjadi 1027 Celcius untuk masuk ke turbin.

Tentukan efisiensi siklus, suhu gas di outlet kompresor, dan suhu gas di outlet turbin.

Larutan

Karena kita memiliki tekanan gas di saluran keluar kompresor dan kita tahu bahwa tekanan masuk adalah tekanan atmosfer, maka dimungkinkan untuk mendapatkan rasio tekanan:

r = Pb / Pa = 800 kPa / 100 KPa = 8

Karena gas yang mengoperasikan turbin adalah campuran udara dan gas propana, koefisien adiabatik kemudian diterapkan untuk gas ideal diatomik, yaitu gamma 1,4.

Efisiensi kemudian akan dihitung seperti ini:

Dimana kami telah menerapkan hubungan yang memberikan efisiensi siklus Brayton sebagai fungsi dari rasio tekanan di kompresor.

Perhitungan suhu

Untuk menentukan temperatur di outlet kompresor, atau yang sama dengan temperatur saat gas masuk ke ruang bakar, kami menerapkan hubungan efisiensi dengan temperatur inlet dan outlet kompresor.

Jika kita menyelesaikan suhu Tb dari ekspresi itu, kita memperoleh:

Sebagai data untuk latihan didapatkan bahwa setelah pembakaran suhu naik menjadi 1027 Celcius, untuk masuk ke turbin. Sebagian energi panas dari gas digunakan untuk menggerakkan turbin, sehingga temperatur di outletnya harus lebih rendah.

Untuk menghitung temperatur pada outlet turbin akan digunakan hubungan antara temperatur yang diperoleh sebelumnya:

Dari sana kami memecahkan Td untuk mendapatkan suhu di outlet turbin. Setelah melakukan perhitungan maka didapatkan temperatur:

Td = 143,05 Celcius.

-Latihan 2

Turbin gas mengikuti siklus Brayton. Perbandingan tekanan antara inlet dan outlet kompresor adalah 12.

Asumsikan temperatur ambien 300 K. Sebagai data tambahan, diketahui bahwa temperatur gas setelah pembakaran (sebelum masuk turbin) adalah 1000K.

Tentukan suhu di outlet kompresor, dan suhu di outlet turbin. Tentukan juga berapa kilogram gas yang beredar melalui turbin setiap detiknya, dengan mengetahui bahwa dayanya adalah 30 KW.

Asumsikan kalor jenis gas konstan dan hitung nilainya pada suhu kamar: Cp = 1,0035 J / (kg K).

Misalkan juga efisiensi kompresi pada kompresor dan efisiensi dekompresi pada turbin adalah 100% yang merupakan idealisasi karena pada prakteknya selalu terjadi kerugian.

Larutan

Untuk menentukan temperatur pada outlet kompresor, mengetahui temperatur pada inlet harus diingat bahwa ini merupakan kompresi adiabatik, sehingga rasio Poisson dapat diterapkan untuk proses AB.

Untuk setiap siklus termodinamika, kerja jaringan akan selalu sama dengan panas bersih yang dipertukarkan dalam siklus tersebut.

Kerja bersih per siklus operasi kemudian dapat dinyatakan sebagai fungsi massa gas yang bersirkulasi dalam siklus tersebut dan suhu.

Dalam ekspresi ini m adalah massa gas yang beredar melalui turbin dalam suatu siklus operasi dan Cp kalor jenis.

Jika kita mengambil turunannya sehubungan dengan waktu dari persamaan sebelumnya, kita memperoleh daya rata-rata bersih sebagai fungsi dari aliran massa.

Memecahkan titik m, dan mengganti suhu, daya, dan kapasitas panas gas, kita memperoleh aliran massa sebesar 1578,4 kg / s.

Referensi

1. Alfaro, J. Siklus Termodinamika. Diperoleh dari: fis.puc.cl.
2. Fernández JF Ciclo Brayton. Turbin gas. UTN (Mendoza). Diperoleh dari: edutecne.utn.edu.ar.
3. Universitas Sevilla. Departemen Fisika. Siklus Brayton. Diperoleh dari: laplace.us.es.
4. Universitas Eksperimental Nasional Táchira. Fenomena Transportasi. Siklus tenaga gas. Diperoleh dari: unet.edu.ve.
5. Wikipedia. Siklus Brayton. Diperoleh dari: wikiwand.com
6. Wikipedia. Turbin gas. Diperoleh dari: wikiwand.com.