Efisiensi Isentropik Nozzle: Apa, Bagaimana, Beberapa Jenis, Contoh

Tujuan utama penggunaan nozzle adalah untuk mempercepat kecepatan aliran fluida dengan menggunakan tekanan. Pada artikel ini kita akan membahas tentang Efisiensi Isentropik Nozzle.

Efisiensi isentropik nosel adalah rasio energi kinetik aktual pada saat keluar nosel dan energi kinetik isentropik pada keluar nosel untuk tekanan masuk dan keluar yang sama.

Sebuah fluida dipercepat dalam nosel saat bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah dengan peningkatan energi kinetik. Rugi-rugi gesekan di dalam nosel menurunkan KE fluida dan menaikkan suhu fluida, meningkatkan entropi.

efisiensi isentropik nosel
Sebuah nozel dari Ariane 5 roket; Kredit Gambar: wikipedia

Nozel dioperasikan dalam kondisi adiabatik tetapi proses ideal untuk nosel adalah proses isentropik. Untuk membandingkan antara kerja aktual yang dilakukan dan kerja dalam kondisi isentropik suatu perangkat, digunakan parameter yang disebut Efisiensi Isentropik.

Nozel air; Kredit gambar: wikipedia

Apa itu Efisiensi Isentropik Nosel?

Proses isentropik tidak melibatkan ireversibilitas dan berfungsi sebagai proses ideal untuk perangkat adiabatik.

Turbin, kompresor, dan nozel bekerja dalam kondisi adiabatik. Karena mereka tidak benar-benar isentropik, mereka dianggap sebagai isentropik untuk sudut pandang perhitungan. Efisiensi isentropik adalah parameter untuk nosel, turbin atau kompresor yang menentukan seberapa efisien perangkat ini mendekati perangkat isentropik yang sesuai.

Mendekati proses isentropik ideal, kinerja nozzle akan ditingkatkan.

IsentropicEfficiency nozzle umumnya lebih besar dari 95%. Jadi kerugian karena ireversibilitas sangat kecil dalam kasus nozzle yang dirancang dengan baik.

Apa itu Nozel?

Nozel adalah perangkat aliran mantap yang paling banyak digunakan dalam turbin uap, turbin gas, dan roket.

Nozzle adalah perangkat yang sering berupa pipa atau tabung dengan luas penampang yang bervariasi yang digunakan untuk mengontrol arah aliran serta kecepatan keluar, massa, bentuk, dan tekanan aliran. Di dalam energi tekanan nosel diubah menjadi energi kinetik atau kita dapat mengatakan kecepatan fluida meningkat dengan mengorbankan energi tekanan.

Tergantung pada kecepatan yang dibutuhkan dan jumlah mach fluida, Nozel dapat dikategorikan seperti tipe Konvergen, tipe Divergen dan tipe Konvergen-Divergen. Nozzle dapat digunakan untuk aliran subsonik dan supersonik.

Nozel De Laval; Kredit gambar: Wikipedia

Pada gambar di atas, nosel de Laval, menunjukkan perkiraan kecepatan aliran yang meningkat dari hijau ke merah dalam arah aliran

Efisiensi Isentropik Formula Nozzle

Efisiensi Isentropik mewakili indeks kinerja nozzle. Perbandingan kinerja nozzle relatif terhadap proses isentropik.

Efisiensi Isentropik Nozzle dapat didefinisikan sebagai rasio penurunan entalpi aktual terhadap penurunan entalpi isentropik antara tekanan yang sama.

Efisiensi Isentropik Nozzle=Penurunan entalpi aktual/Penurunan entalpi isentropik

Rumus Efisiensi Isentropik adalah ukuran penyimpangan proses aktual dari proses ideal yang sesuai. Rasio kerja aktual yang dilakukan oleh nosel dengan kerja yang dilakukan oleh nosel dalam kondisi isentropik disebut Efisiensi Nosel Isentropik.

Efisiensi isentropik dari noselN= Energi Kinetik Aktual pada Keluaran Nosel/ Energi Kinetik Isentropik pada Keluaran Nosel.

Secara teoritis proses di dalam nosel dianggap isentropik tetapi karena kerugian gesekan prosesnya tidak dapat diubah.

Diagram Entropi entalpi untuk aliran di dalam nosel

Proses 1-2: Proses Isentropik

Proses1- 2{}':Proses Sebenarnya

Efisiensi nozel,

Untuk Proses 1-2, menerapkan SFEE,

 Atau,

Untuk Proses 1- 2′, menerapkan SFEE,

Atau,

Sekarang dari Persamaan (1) mensubstitusi nilai h1 – h2 dan h1 – h2` , kita dapatkan

Persamaan (1) dan (4) adalah rumus untuk menghitung Efisiensi Isentropik dari Nozel.

Bagaimana Menemukan Efisiensi Isentropik Nosel?

Nozzle mengurangi tekanan aliran dan pada saat yang sama mempercepat aliran untuk menciptakan daya dorong.

Sejumlah kehilangan panas terjadi dari uap karena gesekan dengan permukaan nosel. Efek gesekan juga meningkatkan fraksi kekeringan uap, karena energi yang hilang dalam gesekan dipindahkan menjadi panas yang cenderung mengeringkan atau memanaskan uap.

Dalam kasus dinamika fluida, titik stagnasi menunjukkan titik di mana kecepatan lokal fluida tetap nol dan keadaan stagnasi isentropik mewakili keadaan ketika aliran fluida mengalami perlambatan adiabatik reversibel hingga kecepatan nol.

Baik keadaan aktual dan isentropik digunakan untuk gas.

Diagram Entropi Entalpi untuk Keadaan Stagnasi; Kredit gambar: wikipedia

Keadaan stagnasi aktual diperoleh untuk deselerasi aktual ke kecepatan nol, ireversibilitas mungkin juga terkait. Untuk alasan ini sifat stagnasi kadang-kadang dibalik untuk sifat keadaan sebenarnya, dan istilah sifat total diterapkan untuk keadaan stagnasi isentropik.

Kedua keadaan stagnasi isentropik dan aktual memiliki entalpi yang sama, suhu yang sama (untuk gas ideal) tetapi mungkin tekanan lebih besar dalam kasus keadaan stagnasi isentropik dibandingkan dengan keadaan stagnasi sebenarnya.

Dalam kasus nozzle, kecepatan masuk dapat diabaikan dibandingkan dengan kecepatan keluar aliran.

Dari neraca energi,

Efisiensi Isentropik Nozzle=Penurunan entalpi aktual/Penurunan entalpi isentropik

dimana h1 = entalpi spesifik gas di pintu masuk

h2a = entalpi spesifik gas keluar untuk proses sebenarnya

h2s = entalpi spesifik gas keluar untuk proses isentropik

Contoh Nozzle Efisiensi Isentropik

Contoh: Uap memasuki nozzle pada 1.4 MPa 2500 C dan kecepatan diabaikan dan mengembang hingga 115 KPa dan kualitas kering 97%. Tentukan kecepatan keluar uap.

Solusi: Data yang diberikan , Tekanan Awal, P1= 1.4MPa

 = 14 bar

Suhu Awal, T1= 2500 C

Tekanan Akhir, P2=115 KPa= 1.15 x 105 Pa=1.15 bar

Kualitas uap saat keluar, x2= 0.97

Kecepatan Keluar, V2=?

Mengabaikan kecepatan awal, Kecepatan Keluar,

Mengingat kecepatan awal,

h1=Enthalpy pada kondisi awal yaitu pada 1.14 MPa yaitu pada 14 bar 2500C, dari tabel uap,

h1=2927.6 KJ/Kg

h2=Enthalpy pada kondisi keluar yaitu pada 115 KPa yaitu pada 1.15 bar x2=0.97, dari tabel uap

hf2=434.2 KJ/kg

hfg2=2247.4 KJ/kg

Oleh karena itu kecepatan keluar uap,

Gulir ke Atas