Sebelum membahas tentang efisiensi isentropik turbin, terlebih dahulu kita harus memahami pengertian dari “isentropik”. Istilah isentropik berarti "entropi konstan".
Efisiensi turbin, dengan kata sederhana, output dibagi dengan input. Efisiensi isentropik mengacu pada efisiensi yang dicapai dalam kondisi isentropik. Namun, kondisi isentropik sulit dicapai sehingga efisiensi isentropik adalah efisiensi maksimum yang dapat dicapai turbin untuk kondisi suhu dan tekanan tertentu. Artikel ini membahas tentang efisiensi isentropik dari turbin secara terperinci.
Definisi efisiensi isentropik turbin
Seperti dibahas sebelumnya, efisiensi isentropik adalah efisiensi yang dicapai oleh turbin dalam kondisi isentropik (entropi tidak berubah). Kondisi isentropik sulit untuk dicapai oleh karena itu, efisiensi isentropik adalah efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh turbin dalam kondisi tekanan dan suhu tertentu.
Karena ireversibilitas dan kerugian gesekan, turbin menghasilkan output yang sedikit lebih rendah daripada nilai teoritis. Oleh karena itu, efisiensi aktual dihitung. Gambar di bawah menunjukkan kurva isentropik dan kurva aktual dari turbin tipikal yang bekerja pada siklus Brayton.
Bagaimana cara menghitung efisiensi isentropik turbin?
Efisiensi isentropik turbin dihitung dengan menggunakan nilai entalpi masuk dan keluar dan entalpi masuk ideal turbin.
Secara matematis, efisiensi isentropik dapat ditemukan dengan menggunakan rumus diberikan di bawah-
Dimana,
h mewakili entalpi spesifik
Contoh turbin efisiensi isentropik
Pertimbangkan ekspansi isentropik Helium dalam turbin gas. Turbin menerima gas pada tekanan tinggi (titik 3) sebesar 6.7 Mpa dengan temperatur 1190 K. Gas keluar pada tekanan rendah sebesar 2.78 Mpa (ditunjukkan pada poin 4) Temperatur gas pada keluaran turbin adalah 839K.
Hitung: Kerja aktual yang dilakukan turbin selama proses ini ketika efisiensi isentropik turbin adalah 91%.
Kerja yang dilakukan oleh turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut-
Untuk gas monoatomik, nilai kalor jenis molar adalah-
Mengkonversi satuan Cp kita dapatkan,
Pekerjaan yang dilakukan kemudian,
5200 x (1190-839)= 1.825 MJ/kg
Pekerjaan nyata yang dilakukan adalah,
Apakah efisiensi isentropik yang lebih tinggi lebih baik?
Efisiensi berarti output bersih yang dihasilkan menggunakan sejumlah input tertentu. Jika output yang dihasilkan lebih banyak maka efisiensi yang dicapai juga lebih banyak.
Efisiensi isentropik yang lebih tinggi berarti output yang dicapai lebih tinggi. Itu selalu diinginkan bahwa turbin menghasilkan lebih banyak pekerjaan atau output. Oleh karena itu, lebih baik ketika efisiensi isentropik lebih tinggi. Juga, dengan peningkatan efisiensi isentropik turbin, ireversibilitas dalam turbin berkurang yang secara langsung meningkatkan keluaran kerja yang diinginkan.
Apakah turbin adiabatik?
Adiabatik artinya tidak perpindahan panas terjadi Ie Qin – Qout adalah nol.
Turbin adalah perangkat adiabatik. Saat merancang turbin, hal-hal berikut dapat dipertimbangkan-
- Turbin adalah adiabatik dan reversibel.
- Energi kinetik dan energi potensial diabaikan.
- Hanya pekerjaan poros yang dilakukan.
- Entalpi berubah maka BUKAN proses isenthalpic.
Di atas poin ketika ditulis secara matematis, persamaan khusus yang disebut sebagai persamaan energi keadaan tunak (SFEE) dapat diperkenalkan.
SFEE dapat ditulis sebagai-
Apa itu nozel?
Nozel meningkatkan energi kinetik fluida pada perluasan energi tekanan. Nozel memiliki aplikasinya dalam aliran subsonik dan supersonik.
Nozel digunakan pada pipa selang untuk meningkatkan kecepatan aliran air, juga digunakan pada mesin roket untuk menghasilkan daya dorong yang tinggi, digunakan pada turbin Pelton untuk meningkatkan kecepatan aliran air yang mengenai runner.
Gambar kredit: Raketendüse, CC BY-SA 3.0
Jenis nozel:
Nozzle mengikuti persamaan kontinuitas. Nozel diklasifikasikan berdasarkan kecepatan fluida yang dibutuhkan dan jumlah mach fluida kerja.
Menurut jumlah mach dan kecepatan yang diinginkan, nozel dapat diklasifikasikan sebagai-
- Nosel konvergen- Ini memiliki area yang lebih besar di pintu masuk dan area yang lebih kecil di pintu keluar. Partikel fluida mengalir melalui pintu keluar dengan kecepatan yang lebih tinggi untuk menjaga kontinuitas aliran.
- Nosel divergen- Ini memiliki area yang lebih kecil di pintu masuk dan area yang lebih besar di pintu keluar. Partikel fluida keluar dengan kecepatan yang lebih rendah.
- Nozzle konvergen- divergen- Nosel jenis ini adalah campuran dari nozel konvergen dan divergen. Nozel ini digunakan untuk aliran supersonik dalam cairan kompresibel. Angka mach selalu lebih besar dari 1 saat menggunakan nosel ini.
SFEE untuk nozel
Ada beberapa asumsi yang diikuti saat menulis SFEE untuk nozzle. Asumsi ini tergantung pada aplikasi perangkat, asumsi ini mungkin tidak sama saat menulis SFEE untuk turbin.
Asumsi untuk menulis SFEE untuk nozzle adalah-
- Dinding nosel bersifat adiabatik.
- Tidak ada interaksi kerja.
- Perbedaan energi potensial diabaikan.
- Energi kinetik masuk dapat diabaikan dibandingkan dengan energi kinetik keluar.
Mengikuti asumsi di atas, SFEE untuk nozzle dapat ditulis sebagai-
Bagian dari nosel divergen konvergen
Nosel konvergen divergen digunakan ketika jumlah aliran fluida mach lebih besar dari 1. Nosel C/D memiliki tiga wilayah utama. Setiap daerah memiliki karakteristik alirannya masing-masing.
Tiga wilayah utama nosel C/D adalah-
- Inlet- Fluida masuk dengan kecepatan lebih rendah melalui inlet.
- Tenggorokan- Kecepatan fluida sama dengan kecepatan lokal suara Yaitu nomor mach sama dengan 1. Tekanan di daerah ini disebut sebagai tekanan kritis dan kecepatan disebut sebagai kecepatan kritis.
- Keluar- Cairan keluar melalui wilayah ini.
Efisiensi isentropik nosel
Nozel meningkatkan energi kinetik fluida pada perluasan energi tekanan. Nozel digunakan dalam aliran subsonik, sonik, dan supersonik.
Rasio energi kinetik keluar aktual dengan energi kinetik keluar isentropik disebut efisiensi isentropik nozzle.
Efisiensi isentropik nosel dapat ditulis sebagai-
