SIKLUS BRAYTON

02.43 |

Siklus Brayton menjadi konsep dasar untuk setiap mesin turbin gas. Siklus termodinamika ini dikembangkan pertama kali oleh John Barber pada tahun 1791, dan disempurnakan lebih lanjut oleh George Brayton. Pada awal penerapan siklus ini, Brayton dan ilmuwan lainnya mengembangkan mesinreciprocating dikombinasikan dengan kompresor. Mesin tersebut berdampingan dengan mesin Otto diaplikasikan pertama kali ke otomotif roda empat. Namun mesin Brayton kalah pamor dengan mesin Otto empat silinder yang dikembangkan oleh Henry Ford. Pada perkembangan selanjutnya, siklus Brayton lebih diaplikasikan khusus ke mesin-mesin turbojet dan turbin gas.

Mesin Turbojet Pesawat Terbang
(Sumber)

Untuk memudahkan memahami siklus Brayton, sangat disarankan bagi Anda untuk mengetahui prinsip kerja turbin gas (baca artikel berikut). Kita ambil contoh mesin turbojet pesawat terbang. Mesin ini menggunakan media kerja udara atmosfer. Sisi inlet kompresor menghisap udara atmosfer, dan udara panas yang telah melewati turbin keluar ke atmosfer lagi. Sekalipun sistem turbojet ini nampak merupakan siklus terbuka, untuk kebutuhan analisa termodinamika, mari kita asumsikan udara yang keluar turbin gas akan menjadi inlet untuk kompresor. Sehingga untuk menganalisa siklus Brayton pada mesin turbojet menjadi lebih mudah.

(a) Skema Siklus Brayton
(b) Diagram P-V Siklus Brayton
(c) Diagram T-s Siklus Brayton
(Sumber)

Siklus Brayton melibatkan tiga komponen utama yakni kompresor, ruang bakar (combustion chamber), dan turbin. Media kerja udara atmosfer masuk melalui sisi inlet kompresor, melewati ruang bakar, dan keluar kembali ke atmosfer setelah melewati turbin. Fenomena-fenomena termodinamika yang terjadi pada siklus Brayton ideal adalah sebagai berikut:

(1-2) Proses Kompresi Isentropik
Udara atmosfer masuk ke dalam sistem turbin gas melalui sisi inlet kompresor. Oleh kompresor, udara dikompresikan sampai tekanan tertentu diikuti dengan volume ruang yang menyempit. Proses ini tidak diikuti dengan perubahan entropi, sehingga disebut proses isentropik. Proses ini ditunjukan dengan angka 1-2 pada kurva di atas.

(2-3) Proses Pembakaran Isobarik
Pada tahap 2-3, udara terkompresi masuk ke ruang bakar. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar, dan diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran diserap oleh udara (q_in), meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume udara. Proses ini tidak mengalami kenaikan tekanan udara, karena udara hasil proses pembakaran bebas berekspansi ke sisi turbin. Karena tekanan yang konstan inilah maka proses ini disebut isobarik.

(3-4) Proses Ekspansi Isentropik
Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran, berekspansi melewati turbin. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi kinetik (baca artikel berikut). Sebagian energi tersebut dikonversikan turbin untuk memutar kompresor. Pada sistem pembangkit listrik turbin gas, sebagian energi lagi dikonversikan turbin untuk memutar generator listrik. Sedangkan pada mesin turbojet, sebagian energi panas dikonversikan menjadi daya dorong pesawat oleh sebentuk nozzle besar pada ujung keluaran turbin gas.

(4-1) Proses Pembuangan Panas
Tahap selanjutnya adalah pembuangan udara kembali ke atmosfer. Pada siklus Brayton ideal, udara yang keluar dari turbin ini masih menyisakan sejumlah energi panas. Panas ini diserap oleh udara bebas, sehingga secara siklus udara tersebut siap untuk kembali masuk ke tahap 1-2 lagi.

Efisiensi Siklus Brayton
Perhitungan energi panas / kalor masuk (q_in):

q_in = h₃ – h₂ = c_p ( T₃ – T₂ )

Perhitungan energi panas keluar (q_out):

q_out = h₄ – h₁ = c_p ( T₄ – T₁ )

Perhitungan efisiensi termal (η _th):

$\eta _{th}=\dfrac {q_{in}-q_{out}}{q_{in}}$ $\eta _{th}=\dfrac {q_{in}}{q_{in}}-\dfrac {q_{out}}{q_{in}}$ $\eta _{th}=1-\dfrac {c_{p}\left( T_{4}-T_{1}\right) }{c_{p}\left( T_{3}-T_{2}\right) }$ $\eta _{th}=1-\dfrac {\left( T_{4}-T_{1}\right) }{\left( T_{3}-T_{2}\right) }$ $\eta _{th}=1-\dfrac {T_{1}}{T_{2}}\dfrac {\left( \dfrac {T_{4}}{T_{1}}-1\right) }{\left( \dfrac {T_{3}}{T_{2}}-1\right) }$

…….(1)

Karena proses 1-2 dan 3-4 adalah isentropik, dan jika γ adalah rasio kapasitas kalor, maka:

$\dfrac {T_{1}}{T_{2}}=\left( \dfrac {P_{1}}{P_{2}}\right) ^{\dfrac {\left( \gamma -1\right) }{\gamma }}$ dan $\dfrac {T_{4}}{T_{3}}=\left( \dfrac {P_{4}}{P_{3}}\right) ^{\dfrac {\left( \gamma -1\right) }{\gamma }}$