30
5 BAB 2 PRINSIP MESIN BERPUTAR Mesin konversi energi (MKE) memiliki 2 komponen utama, yakni rotor (bagian yang bergerak) dan stator (bagian yang diam). Perubahan energi : Energi tekanan + energi kinetik yang dimiliki = energi mekanik pada poros mesin. Energi mekanik dari poros = energi tekanan + tekanan kecepatan pada fluida yang berada di sekeliling poros tersebut. Energi tekanan + energi kinetik = head fluida (energi spesifik fluida) MKE yang menggunakan transformasi energi seperti saat ini adalah : Turbin air Turbin uap Turbin gas Pompa/kompresor Energi tekanan dan energi kecepatan yang dimiliki oleh fluida ditunjukkan dalam bentuk energi spesifik atau head fluida. Energi mekanik pada poros ditunjukkan sebagai torsi yang bekerja pada poros tersebut Sudu-sudu rumah roda poros segitiga kecepatan

Mesin Berputar

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Rotor, stator, pengelompokan MKE, pompa, turbin air, dll

Citation preview

Page 1: Mesin Berputar

5

BAB 2

PRINSIP MESIN BERPUTAR

Mesin konversi energi (MKE) memiliki 2 komponen utama, yakni rotor

(bagian yang bergerak) dan stator (bagian yang diam).

Perubahan energi :

Energi tekanan + energi kinetik yang dimiliki = energi mekanik pada

poros mesin.

Energi mekanik dari poros = energi tekanan + tekanan kecepatan pada

fluida yang berada di sekeliling poros tersebut.

Energi tekanan + energi kinetik = head fluida (energi spesifik fluida)

MKE yang menggunakan transformasi energi seperti saat ini adalah :

Turbin air

Turbin uap

Turbin gas

Pompa/kompresor

Energi tekanan dan energi kecepatan yang dimiliki oleh fluida ditunjukkan dalam

bentuk energi spesifik atau head fluida.

Energi mekanik pada poros ditunjukkan sebagai torsi yang bekerja pada poros

tersebut

Sudu-sudu

rumah

roda

poros segitiga kecepatan

Page 2: Mesin Berputar

6

Keterangan :

r1 = jari-jari sisi masuk (m)

r2 = jari-jari sisi keluar (m)

n = kecepatan putaran roda (rpm)

𝜔 = kecepatan sudut (rad/sekon)

V1= kecepatan absolute fluida sisi masuk (m/sekon)

U1= kecepatan keliling roda sisi masuk (m/sekon)

d1 = sudut fluida masuk, sisi masuk (antara V1 dan V2)

𝛽1 = sudut

v1 = kecepatan relatif sisi masuk (m/s)

Pada prinsipnya ada 3 komponen transformasi energi, yakni :

kecepatan aksial

kecepatan radial

kecepatan tangensial

persamaan :

(dm) V2 . R2 cos 𝛼2 + 𝜏 . dt = (dm) V1 . R1 cos 𝛼1

𝜏 . dt = (dm)( V1 . R1 cos 𝛼1 - V2 . R2 cos 𝛼2)

Dimana :

dm = jumlah massa aliran (kj) dalam selang waktu (dt), waktu dalam detik

dm = 𝜌 . V . A dt

= 𝜌 . Q . dt dimana : 𝜌 = rapat massa (kg/s)

Q = kapasitas aliran ( m3/s)

Page 3: Mesin Berputar

7

𝜏 . dt = 𝜌 . Q . dt ( V1 . R1 cos 𝛼1 - V2 . R2 cos 𝛼2)

𝜏 = 𝜌 . Q . ( V1 . R1 cos 𝛼1 - V2 . R2 cos 𝛼2)

power (E)

P = 𝜏 . 𝜔 (watt)

P = 𝜌 . Q . ( V1 . R1 cos 𝛼1 - V2 . R2 cos 𝛼2) . 𝜔 dimana : u = r . 𝜔

= 𝜌 . Q . V1 . U1 cos 𝛼1 - V2 . U2 cos 𝛼2 u1 = r1 . 𝜔

= 𝜌 . Q . (Vr1 . U1 - Vr2 . U2 ) dimana : V1 cos 𝛼1 = Vr1

V2 cos 𝛼2 = Vr2

PENGELOMPOKKAN MESIN – MESIN KONVERSI ENERGI

1. Mesin-mesin thermal

merupakan mesin-mesin yang berfungsi mengkonversikan atau mengubah

bentuk energi kimia/gas panas ke bentuk energi mekanik. Contoh: motor

bakar, turbin uap, turbin gas.

2. Mesin-mesin fluida

Merupakan mesin-mesin yang berfungsi menkonversi energi fluida ke

energi mekanik atau sebaliknya. Contoh : pompa, kompresor, turbin air,

kincir angin.

3. Mesin-mesin pembakaran dalam (ICE)

Merupakan mesin-mesin yang berfungsi mengkonversi bentuk energi

kimia atau gas panas ke bentuk energi mekanik. Dimana terjadi proses

pembakaran menjadi energi gas panas bertekanan di dalam ruangan yang

menjadi proses pembakarannya. Contoh : motor bakar.

4. Mesin-mesin pembakaran luar (ECE)

Merupakan mesin-mesin yang berfungsi mengkonversi bentuk energi

kimia atau gas panas ke bentuk energi mekanik. Dimana proses perubahan

energi bahan bakar ke energi gas panas dilakukan di luar mesin tersebut.

Page 4: Mesin Berputar

8

Contoh : turbin uap, mesin uap, turbin gas dalam sistem tenaga instalasi

turbin gas.

5. Mesin- mesin berputar (rotating machine)

Merupakan mesin-mesin yang berfungsi mengkonversi bentuk energi

fluida ke energi mekanik atau sebaliknya, dalam mengkonversi bentuk

mekanik ke energi spesifik fluida dengan menggerakkan elemen utama

(rotor) merupakan gerak berputar. Contoh : turbin air, turbin minyak,

pompa, kompresor, turbin gas, turbin uap.

6. Mesin gerak bolak-balik

Merupakan mesin yang berfungsi mengubah energi fluida ke energi

mekanik atau sebaliknya dengan menggerakkan elemen utamanya

(piston/torak) dengan gerakkan bolak-balik. Contoh : mesin uap, motor

bakar, pompa, kompresor.

Page 5: Mesin Berputar

9

BAB 3

POMPA

Pompa merupakan MKE yang mengkonversikan energi mekanik ke energi

spesifik (head fluida) yang tingkat wujudnya cair. Head pompa yaitu

menunjukkan kemampuan pompa mengangkat fluida untuk mencapai ketinggian

tertentu. Saat beroperasi head pompa ditunjukkan oleh besar beda tekanan antara

sisi hisap dan sisi tekan.

Menurut prinsip perubahan bentuk energi pompa dibedakan menjadi 2

kelompok, yakni :

Positif Displacement Pomp (bukan gerak putar). Contoh : pompa piston,

pompa roda gigi.

Dinamic Pomp (gerak putar),pompa psitif dan dinamik. Contoh : pompa

sentrifugal, pompa aksial.

Contoh-contoh pompa :

1. Pompa torak

Torak melakukan gerak isap, katup isap membuka, katup tekan tertutup,

sedang pada gerak tekan katup isap tertutup, katup tekan terbuka. Pompa

diproduksi untuk head (tinggi tekan) tinggi kapasitas aliran rendah,

aplikasinya untuk tenaga hidrolik, keperluan rumah tangga mengangkat

air.

2. Pompa roda gigi

Berputarnya 2 buah roda gigi berpasangan dalam rumah pompa akan

menghisap dan menekan fluida yang dipompa. Fluida yang mengisi

ruangan antara roda gigi (yang dibatasi oleh gigi-gigi dan rumah pompa)

ditekan ke sisi buang akibat diisi ruang antara gigi tersebut oleh gigi, roda

gigi pasangannya.

Roda gigi diproduksi untuk head tinggi, kapasitas aliran sangat rendah.

Aplikasinya pada pompa pelumas.

Page 6: Mesin Berputar

10

3. Pompa sentrifugal

Fluida dihisap pompa lewat sisi isap akibat berputarnya impeller yang

menghasilkan tekanan vacum pada sisi isap. Selanjutnya fluida yang

terisap terlempar keluar impeller akibat gaya sentrifugal yang dimiliki oleh

fluida itu sendiri dan selanjutnya ditampung oleh casing sebelum dibuang

ke sisi buang. Energi mekanis poros pompa diteruskan ke sudu-sudu

impeller kemudian sudu-sudu memberikan energi kinetik ke fluida akibat

adanya gaya sentrifugal yang bekerja pada fluida-fluida terlempar keluar

mengisi ruang casing dan diruang ini. Energi kinetik fluida sebagian besar

diubah menjadi energi tekan. Aliran fluida masuk ke pompa sentrifugal

arah aksial ke arah pompa impeller arah radial. Diproduksi untuk head

medium sampai head tinggi, kapasitas aliran medium, aplikasinya

digunakan proses pengisian.

4. Pompa aksial (pompa propeller)

Berputarnya impeller akan menghisap fluida dan menekan ke sisi tekan

arah aksial. Diproduksi untuk head rendah kapasitas aliran besar.

Aplikasinya untuk keperluan pengairan.

Dalam perhitungan energi pompa, dikenal dengan istilah-istilah :

a. Kavitasi, yaitu gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir

karena tekanan berkurang sampai dibawah tekanan uap jenuh. Contoh,

air pada tekanan 1 atm akan mendidih dan menjadi uap pada suhu 100

oC jika tekanan direndahkan maka akan mendidih pada temperatur

lebih rendah. Bila zat cair mendidih akan menimbulkan gelembung-

gelembung uap zat cair tersebut, dapat terjadi pada pompa/pipa-

pipanya. Pompa yang mengalami kavitasi akan menimbulkan suara

dan menimbulkan getaran dan menurunkan performa pompa.

Pencegahan kavitasi :

NPSH yang tersedia > NPSH yang direncanakan atau diperlukan,

dengan cara letak pompa terhadap permukaan zat cair harus dibuat

serendah mungkin, pipa isap harus dibuat sependek mungkin. Tidak

diperkenankan memperkecil laju aliran sisi isap.

Page 7: Mesin Berputar

11

b. NPSH (Nit Positive Sesan Head)

Dipakai sebagai ukuran pompa terhadap kavitasi dengan tekanan, a)

pada kondisi lingkungan dimana pompa dipasang, b) tekanan yang

ditentukan oleh keadaan aliran di dalam pompa. NPSH yang tersedia

yaitu head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi isap pompa dikurangi

dengan tekanan uap jenuh zat cair ditempat tersebut.

𝐍𝐏𝐒𝐇 =𝑷 𝒃𝒂𝒓

𝜸−

𝑷 𝒖𝒂𝒑

𝜸± 𝐡𝐳 − 𝐡 𝐥𝐨𝐬𝐬𝐞𝐬

Dimana : h losses = h kerugian saat isap

𝛾 = berat jenis = m . g

Perhitungan energi pompa

Kecepatan aliran pada pipa isap

𝑉𝑖 =Qi

Ai (m/s)

Kecepatan aliran pada pipa tekan

𝑉𝑡 =Qt

At (m/s)

Kerugian head isap

𝑕𝑖 = fili.Vi .Vi

di .2g + ∈ 𝐶𝑖

Vi .Vi

2g (m)

Kerugian head isap

𝑕𝑡 = ftlt .Vt .Vt

dt .2g + ∈ 𝐶𝑡

Vt .Vt

2g (m)

Heat pompa (Htot)

Htot = Hstatik + Hdinamik (m)

Head dinamic = hi + ht

Daya pompa

𝑁 =ρ .Q .g .Htot

60.efisiensi pompa (watt) jika Q dirubah sekon, maka 60 dihilangkan.

Energi pompa

𝐸𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎 =N.t

efisiensi motor (Kwh)

Page 8: Mesin Berputar

12

KETERANGAN :

Qi = kapasitas waktu hisap

fi = koefisien gesek pipa

li = panjang pipa

Ci = berapa belokan atau jumlah belokan

di = diameter pipa

Page 9: Mesin Berputar

13

BAB 4

TURBIN AIR

Head waduk merupakan energi potensial spesifik air yang tersedia.

Kapasitas merupakan aliran waduk untuk turbin sebagai energi supply.

Saat beroperasi head turbin ditunjukkan oleh beda tekanan antara sisi isap

dan sisi tekan.

Komponen-komponen turbin air yang penting, adalah :

a. Sudu pengarah, biasanya bisa diatur untuk mengontrol kapasitas aliran

masuk turbin.

b. Roda jalan (runner turbin), yaitu bagian dimana terjadi peralihan

energi potensial fluida menjadi energi mekanik.

c. Poros turbin, bagian yang terdapat runner dan ditumpu dengan

bantalan radial dan bantalan aksial.

d. Rumah turbin, biasanya berbentuk keong atau spiral berfungsi untuk

mengarahkan aliran masuk sudu pengarah.

e. Pipa hisap, berfungsi mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran

luar.

Menurut prinsip perubahan bentuk, energi dibedakan menjadi 2 kelompok,

yakni :

a. Turbin impulse

Disebut turbin tekanan konstan yaitu tekanan masuk = tekanan keluar.

Kecepatan masuk = kecepatan keluar. Contoh : turbin michele banky

(cross flow = arus melintang), turbin pelton, kincir air (water wheel).

b. Turbin reaksi

Turbin dengan tekanan berbeda, tekanan masuk >tekanan keluar,

kecepatan masuk < kecepatan keluar. Hal ini disebabkan karena

adanya percepatan yang ditimbulkan reaksi sudu-sudu jalan. Contoh :

turbin fransis, turbin propeller, turbin aksial, turbin kaplan.

Untuk pemilihan turbin dengan menentukan putaran spesifik dalam

operasinya (pengoperasiannya), yang dimaksud dengan putaran spesifik

(ns) yaitu sebagai putaran turbin dimana dibangkitkan daya sebesar satu

Page 10: Mesin Berputar

14

satuan daya dan pada tinggi jatuh (head) satu satuan tinggi jatuh. ns

memiliki satuan rpm, Kwm (kilowatt meter) secara dimensional, satuan ini

tidak cocok dengan satuan-satuan pada rumus.

ns = 𝐧 (P)0,5

: (Hefektif)5/4

Hefektif = hgross-hlosses

1. Kincir air

Pancaran atau aliran air ditumbukkan ke mangkok-mangkok pada roda

putar, terjadi perubahan energi kinetik ke energi mekanik. Penggunaan

pada head dan kapasitas kecil, sekitar 1 KW – 3KW

2. Turbin M. Banky (cross flow)

Terdiri dari sebuah roda jalan (runner) menyerupai sangkar tupai dan

pipa pancar (nozzel). Roda jalan dikonstruksi dari bilah-bilah sudu dari

pipa yang dipotong ke arah membujur, dipasang pada dua piringan

dengan di las atau di baut. Digunakan pada head rendah sampai

menengah (20m), kapasitas 5 m3/s. Konstruksi sederhana putaran

cukup tinggi, efisiensi cukup stabil pada perubahan bahan sampai 40%

dipasang pada posisi poros horizontal. Karena termasuk turbin impuls,

maka harus dipasang diatas permukaan air bawah.

3. Turbin pelton

Termasuk turbin impuls, dipasang pada kedudukan posisi vertikal

maupun horizontal, terdiri dari runner dan nozzel. Runnernya dari

poros piringan tangkai mangkok ke mangkok-mangkok, sedangkan

nozzel terdiri dari pipa nozzel dan pembelok arah pancaran deflektor.

Digunakan untuk potensi hidro dengan head tinggi diatas 30 m,

kapasitas aliran kecil, putaran operasinya tinggi, efisiensi tinggi pada

perubahan beban sampai 40%.

4. Turbin fransis

Dipasang pada poros vertikal maupun horizontal, terdiri dari runner,

sudu pengarah (guide blade) dan rumah/casing (bentuk keong). Runner

terdiri dari poros dan sudu yang berbentuk 3 dimensi, sudu pengarah

Page 11: Mesin Berputar

15

memiliki bentuk serupa sudu turbin, digunakan untuk potensi hidro

head menengah sampai 100 m, kapasitas aliran sampai puluhan m3.

Putaran tinggi, efisiensi tinggi didekat kapasitas maximum.

Power turbin air

P = 𝜌 . g . Q .(hgross-hlosses).efisiensi turbin (watt)

Dimana 𝜌 . g = massa

Torsi

𝜏 = 30 P

π.n (Nm)

Dimana : 𝜏 = P

ω dan ω =

2π.n

60

Energi yang dibangkitkan turbin air

E = P . t . efisiensi generator . efisiensi transmisi (Wjam atau KWh)

Putaran spesifik

ns = n (P)0,5

: (Hefektif)5/4

Page 12: Mesin Berputar

16

BAB 5

MOTOR BAKAR

Motor bakar merupakan mesin yang mengubah energi termis menjadi

energi mekanis.

Energi kimia – Energi termis – Energi mekanis

Energi kimia didapat dari pembakaran bahan bakar yang dilakukan

didalam mesin (ICE).

Proses : mengubah energi termis menjadi energi mekanis melakukan

proses isap, kompresi, kerja dan buang.

Vc TMA

TMB

VL

Keterangan : TMA = titik mati atas

TMB = titik mati bawah

VL = volume langkah

Vc = volume compresi

Volume silinder = VL + Vc

1. Proses kerja

a. 2 tak : dalam melakukan proses bergerak hanya melakukan 2x

gerakan (langkah piston/torak), 1x putaran engkol. Isap + kompresi

= 1 langkah, usaha + buang = 1 langkah.

b. 4 tak : 4x langkah, 2x putaran

Page 13: Mesin Berputar

17

2. Ciri-ciri

a. Motor 2 tak : - tidak menggunakan klep

- ada saluran pembilas

- diatas piston tidak datar, sedikit cembung/terdapat

lengkungan supaya tidak banyak gas yang terbuang.

b. motor 4 tak : - ada klep (katup)

- membuka atau menutupnya katup ada hubungannya

dengan kerja mesin.

- tidak ada oli samping

- ada rantai kamprat

- busi menyamping

Pada motor :

- Kerugian panas = efisiensi termis

- Kerugian isi = efisiensi volumetris

- Kerugian mekanik = efisiensi mekanis (misal: gesekan)

3. Bahan bakar : a) diesel, b) bensin (injeksi(EFI), karburator)

4. Konstruksi :vertikal, horizontal, W, V, bintang

5. Pemakaian : a) stasioner ;b) non stasioner

Kandungan panas gas

Qgas = m . LHV (kJ)

Usaha motor

U = F . L (kJ)

F = P . A dimana A = π

4 D

2

U = P . π

4 D

2 . L (kJ)

Keterangan :

F = gaya pada piston (N)

L = langkah piston (m)

A = luas penampang (m2)

Page 14: Mesin Berputar

18

D = diameter piston (m)

P = tekanan rata-rata pada silinder (Pa)

Daya : energi per satuan waktu (usaha)

N = U

𝑡 =

P . π

4 D2 .L .i

60

n .z

= P .

π

4 D2 .L .n .i

60 .z (watt)

Keterangan :

i = jumlah silinder (buah)

z = jumlah langkah (4tak=2, 2tak=1)

Daya yang dihitung berdasarkan tekanan indikator (teoritis)

Ni = 1 HP = Pi .

π

4 D2 .L .n .i

60 .z (watt)

Daya yang dihitung berdasarkan tekanan efektif

Ne = BHP = Pe .

π

4 D2 .L .n .i

60 .z (watt)

BHP = efisiensi mekanis . 1 HP (watt)

Efisiensi mekanis = BHP

1 𝐻𝑃 =

Pe

Pi

Pi = tekanan indikator dm silinder (teoritis)

1-2 = proses kompresi isentropis

2-3 = proses pembakaran pada volume konstan

3-4 = proses ekspansi (kerja)

4-1 = proses buang

Page 15: Mesin Berputar

19

Tekanan indikator

Pi = a

l . s (Kpa)

Ket :

a = luas diagram indikator (cm2)

l = panjang langkah (cm)

s = skala tekanan (Kpa/cm)

Tekanan efektif

Pi = BHP .60 z

π

4 D2 .n .i

(Kpa)

Efisiensi thermal siklus = 1 - 1

𝛾 𝑝𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 (k−1)

𝛾 = perbandingan kompresi

k = Cp

𝐶𝑣 =

panjang tekanan konstan

𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛

Volume awal kompresi

V1 = R .T1

𝑃1 (m

3/kg)

Ket:

R = angka tetapan gas (kJ/kg)

T = temperatur (0K)

P1 = tekanan absolute awal kompresi (Kpa)

Perbandingan kompresi

𝛾 = V2

𝑉1

Volume akhir kompresi

V2 = V1

𝛾 (m

3/kg)

Adiabatis :

P1.V1k = P2.V2

k .....(1) P1 =

P2.V2 pangkat k

V1 pangkat k

P1.V1

T1=

P2.V2

T2 .....(2)

Substitusi (1) dan (2):

Page 16: Mesin Berputar

20

P2. V 2

V 1 pangkat k .V1

T1=

P2.V2

T2

T2

T1=

V2

V 2

V 1 pangkat k .V1

= V2 .V1 pangkat k

V2 pangkat k .V1 dimana, 𝛾=

V2

V1

= γ pangkat k

γ= γ

k-1

T2 = T1 . γk-1

(0K)

Torsi

𝜏= BHP

ω (Nm)

Kerja siklus setiap kg udara (W)

W = efisiensi termis . Q (kJ/kg)

Tekanan efektif rata-rata

Pe = W

V1−V2 (Kpa)

Pe = BHP

VL dimana, VL = volume langkah (m

3)

Massa udara masuk silinder

mud = efisiensi volumetris .VL

V1 (kg/s)

Massa bahan bakar : yang tumbukan meter per sekon

mbb = m udara

a

f

dimana, a = udara; dan f = bahan bakar

Efisiensi termal total

Efisiensi total = efisiensi mekanis . efisiensi internal . efisiensi termal

Power mesin

BHP = efisiensi total . mbb . LHV (kW)

Page 17: Mesin Berputar

21

BAB 6

KETEL UAP

Ketel uap merupakan pesawat yang menghasilkan uap, uap yang

dihasilkan bertekanan dan bertemperatur tinggi.

uap baru

Air pendingin

Air baru

Air pendingin keluar

Bagian-bagian di ketel uap :

Bagian utama yakni : 1) ruang air; 2) ruang uap (berada diatas air),

terdapat batas isi air.

1. Ruang air

2. Ruang uap

3. VO (Verwarming Oppervlag) = luas pemanasan (m2)

4. RO (Rooster Oppervlag) = luas rangka bakar atau isarangan (m2), RO

sama halnya dengan tempat pembakaran bahan bakar.

Jenis-jenis ketel

1. Ketel pipa api

air

api

air air

api

pompa

Ketel uap

Turbin

uap

condensor

Page 18: Mesin Berputar

22

Ketel pipa api merupakan ketel yang bagian pipa paling dalam diisi

api, dan pipa di luarnya diisi air. Bagian sisi yang terkena panas

dinamakan VO (pada dinding silinder dalam).

2. Ketel pipa air

Ketel pipa air merupakan ketel yang bagian pipa paling dalam diisi air,

dan pipa di luarnya diisi api. Bagian sisi yang terkena panas

dinamakan VO (pada semua dinding).

Muatan ketel/produksi ketel/uap yang dibangkitkan (dihasilkan) diberi

lambang “S”, merupakan jumlahnya uap yang dihasilkan ketel dalam

satuan kg atau ton.

Beban ketel diberi lambang “B”, merupakan jumlah bahan bakar yang

terbakar saat ketel beroperasi (dalam satuan kg).

Muatan ketel spesifik (kg/m2 VO/jam) diberi lambang “s”, merupakan

jumlah uap dalam kg setiap m2 VO per jam.

Beban ketel spesifik (kg/m2 RO/jam) diberi lambang “b”

Rumusnya :

VO = muatan ketel

muatan ketel spesifik

= S

s (m

2)

RO = beban ketel

beban ketel spesifik

= B

b (m

2)

api

air

api

air

api

Page 19: Mesin Berputar

23

Perbedaan antara ketel api dan ketel air

1. Ketel api :

- Berat, perlu foundation yang kuat karena airnya banyak.

- Labat dalam menghasilkan uap

- Air tidak perlu persyaratan khusus, hanya penyaringan sederhana.

2. Ketel air :

- Ringan

- Cepat menghasilkan uap

- Air perlu persyaratan, tidak mengandung kapur dll.

Berbagai istilah yang ada pada ketel uap :

- Doom uap, merupakan ruangan diatas badan ketel berfungsi

sebagai pemberi kesempatan butir-butir air agar jatuh dan uap yang

dihasilkan uap kering.

- Economizer, merupakan alat yang berfungsi memanaskan air

pengisi ketel dengan memanfaatkan panas. Dari hasil pembakaran

sebelum keluar ke cerobong. Ditempatkan sebelum air masuk

ketel.

- Air hitter (pemanas udara pembakaran), memanfaatkan udara

sebelum keluar cerobong. Terletak di dalam rangka bakar (dapur).

- Supperhitter (rehitter), memanaskan atau mengeringkan uap

(pemanas uap atau pengering uap).

Economizer, air hitter, superhitter memanfaatkan gas panas sebelum

keluar dari cerobong.

t (0C) didih uap

panas didih panas latent

panas penguapan = panas didih + panans latent

Entalpi merupakan panas yang digunakan untuk menaikkan suhu (kkal).

Page 20: Mesin Berputar

24

Rumus Regnault (terbatas pada tekanan = 20 kg/cm2 dan suhu 200

0C)

Q = 606,5 + 0,305 t (kkal/kg)

Panas uap :

Q = 606,5 + 0,305 (tuap-tair pengisi) (kkal/kg)

Uap lanjut :

Q = 606,5 + 0,305 tu – Cp (tl-tu) - tv (kkal/kg)

B = S (i"−tv )

efisiensi ketel .W kg

Efisiensi ketel = S (i"−tv )

B .W (%)

Ket :

S = hasil uap (kg atau ton)

i”= intalpi (kkal/kg)

tv= suhu air pengisi

W=HHV= nilai bahan bakar (kkal/kg)

tl = suhu uap lanjut

Untuk pembakaran diperlukan udara

- Kebutuhan udara teoritis

Lo = 1

1,3 .

100

23,3 . {

8

3 (C+3H)+S} (m

3)

- Kebutuhan udara dalam praktek

L = n . Lo (m3)

- “n” adalah faktor udara

n =

C

CO 2+ 3H

4,8 (C+3H)

- Berat gas hasil pembakaran

G = 2,4 (C

CO 2+3H) + 0,9 (kg)

- Kerugian panas yang lewat cerobong

Qc = G . pj . (t2-t1) (kkal/kg)

Page 21: Mesin Berputar

25

Ket :

Pj = panas jenis gas (kkal/oC)

t2 = suhu dalam cerobong (oC)

t1 = suhu luar cerobong (oC)

- Neraca panas

W (LHV) = P + Qc + R (kkal/kg)

P = panas yang berguna untuk memanaskan air dan uap.

R = kerugian-kerugian lain yang tidak dapat dihitung, misal :a)

panas yang terdapat pada abu; b) panas yang terpancar keluar, dll.

- P = S

B (i” – tv) (kkal/kg)

Tarikan udara pembakaran ada 2 macam :

1. Dengan menggunakan alat, kompresor dan blower.

2. Secara alami, yaitu dengan perbedaan tekanan udara.

DP = H . 273 . 𝛾 (1

273+t2 -

1

273 +t1)

H = tinggi cerobong (m)

𝛾 = berat jenis udara (1,3 kg/m3)

Page 22: Mesin Berputar

26

BAB 7

DIAGRAM UAP

Ket :

1. Pompa

2. Ketel uap

3. Tubin uap

4. Uap bekas

5. Kondensor

Proses :

- 1-2

Proses pemompaan kedalam ketel (isentropis, entalpi naik, tekanan

naik).

- 2-2’

Proses pemanasan air pengisi ketel (tekanan tetap, entalpi naik).

Page 23: Mesin Berputar

27

- 2’-3*

Proses pembentukan uap dari cair menjadi uap basah (satured

steam). Intalpi dan entropi naik, temperatur dan tekanan tetap

(latent head).

- 3*-3-3’-3”

Proses pembentukan uap kering, mengubah uap basah (satured

steam) menjadi uap kering (superheated steam). Intalpi dan intropi

naik (sensible head).

- 3*-4*

Proses ekspansi dalam turbin. Isentropi, intalpi turun, tekanan

turun, satured steam – uap basah.

- 3-4

Proses ekspansi dalam turbin. Isentropis, entalpi turun, tekanan

turun, superheated steam – uap basah.

- 3”-4”

Proses ekspansi dalam turbin. Isentropis, entalpi turun, tekanan

turun, supperheated steam.

- 4”-4’-4-4*-5-1

Proses mengubah uap kering (superheated steam) menjadi uap

basah (satured steam), kemudian diembunkan menjadi air

kondensat. Tekanan tetap, temperatur turun, intalpi dan intropi

turun.

Page 24: Mesin Berputar

28

BAB 8

TURBIN UAP

Komponen utama :

1. Nozzel : menyemprotkan, berfungsi untuk mempertinggi kecepatan dan

arah aliran fluida ke moving blade (sudu).

2. Moving blade (sudu) : berfungsi mengubah energi kinetis menjadi

energi mekanik.

3. Dis (roda) : meneruskan gerakan moving blade ke poros karena moving

blade dipasang kuat pada dis (roda).

4. Sap (poros) : tempat pemasangan roda dan meneruskan putaran roda.

5. Casing (rumah) : tempat pemasangan rotor.

Klasifikasi :

1. Menurut tekanan uapnya :

- Rendah = 1,2 – 2 atm

- Menengah = 2 – 40 atm

- Tinggi = 40 – 170 atm

- Sangat tinggi = 170 – 225 atm

- Super kritis = > 225 atm

2. Menurut arah aliran uap masuk

- Aksial : searah poros

- Radial : tegak lurus poros

3. Menurut tempat penggunaannya

- Tetap, misal pada pabrik

- Tidak tetap, misal pada kapal-kapal

4. Menurut prinsip kerja

- Turbin impuls (turbin aksi) : tekanan sama, tenaga potensial

dirubah menjadi tenaga kinetis hanya pada nozzel. Sedangkan pada

moving blade, tekanan dan volume tetap.

- Turbin reaksi : pengembangan uap terjadi pada nozzel dan moving

blade.

Page 25: Mesin Berputar

29

- Tirbin kombinasi : turbin impuls berada di depan, turbin reaksi di

belakangnya.

5. Berdasarkan ciri-cirinya

- Turbin aksi :

a. Sudu-sudu simetris, ruangan antara dua sudu berurutan, isinya

sama.

b. Kecepatan uap masuk = kecepatan uap keluar, karena uap tidak

mengembang.

c. Kekuatan terletak pada sudu, karena gaya sentrifugal dari uap

pada waktu melewati sudu. Contoh : turbin delaval, turbin

curtis, turbin zoelly, turbin kombinas (antara cartis dan zoelly).

- Turbin reaksi :

a. Sudu-sudu asimetris, ruang antara dua sudu yang berturutan

makin lama makin menyempit.

b. Kecepatan relativ keluar sudu > kecepatan relatif masuk sudu.

(C2>C1), karena didalam sudu juga mengembang.

c. Tekanan dimuka sudu lebih besar dibandingkan tekanan di

belakang sudu. (P1>P2)

d. Kekuatan pada sudu disebabkan oleh gaya reaksi yang

diperoleh dari adanya percepatan uap. Contoh : turbin person.

Macam-macam turbin yang lain :

a. Turbin kondensasi : uap bekas masuk ke kondensor.

b. Turbin tekanan lawan : uap bekas digunakan untuk kepentingan lain

tidak menggunakan kondensor.

c. Turbin cerat : uap dicerat di beberapa tempat.

d. Turbin tekanan 2 : mempunyai 2 pemasukan uap yang tekanannya tidak

sama.

Nozzel

Co = m/s C1 = m/s

Po = kg/cm2

P1 = kg/cm2

Go = kg G1 = kg

io = kkal/kg i1 = kkal/kg

Page 26: Mesin Berputar

30

1

2 m . Co

2 + Go . io . 427 =

1

2 m . C1

2 + G1 . i1 . 427

Karena m = G

g dimana g = 9,81 m/s

2

Co dianggap kecil, diabaikan

Go = G1

io – i1= H (jatuh panas)

1 kal = 427 kg m/s maka :

1

2 .

G

g. Co

2 + Go . io . 427 =

1

2 .

G

g. C1

2 + Go . io . 427

1

2 .

Co−C1 kuadrat

g = 427 (io – i1)

C12 .

1

2g = 427 H

C12

= 427 . H . 19,62

C1

= 91,53 𝐻 m/s

Sedangkan C2 = C1 sin 𝛼1

Kecepatan keliling roda

U = π.D.n

60(m/s)

Kecepatan keliling maximal

U = 1

2 . C1 cos 𝛼1 (m/s)

W1 = W2 = 𝐶2 −𝑈 𝑘𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑡 m/s

Energi masuk sudu = 1

2.m.C1

2

Energi keluar sudu = 1

2.m.C2

2

Energi yang berguna = 1

2.m.C1

2 -

1

2.m.C2

2

Efisiensi sudu = energi yang berguna

energi yang diberikan

𝜂s=( 1

2.m.C1

2 -

1

2.m.C2

2) /

1

2.m.C1

2

𝜂s = 1

2.m.(C1

2 - C2

2) /

1

2.m.C1

2

𝜂s=(C12 - C2

2) / C1

2

𝜂s=1 - (C22 / C1

2)

Page 27: Mesin Berputar

31

Efisiensi sudu maximum

𝜂s max = cos2 𝛼1

Daya turbin saat masuk

No = 1

2.m.C1

2 (kg m/s)

No = 1

2.m.C1

2 / 75 (HP)

Daya turbin keluar

Nt = 1

2.m.C2

2 / 75 (HP)

Daya indikator (teoritis) turbin

Ni =( 1

2.m.C1

2 -

1

2.m.C2

2) / 75 (HP)

Daya efektif turbin

Ne = Ni – Ng (HP)

Ng = kerugian akibat gesekan mekanik

Efisiensi mekanik

𝜂m = Ni−Ng

Ni

𝜂m = Ne

Ni

Gaya sentrifugal yang timbul pada sudu

Kc = m .𝜔2. R (kg)

Dimana,

m = G

g

G = berat sudu (kg)

g = 9,81 (m/s2)

𝜔 = kec. Sudut (rad/s)

𝑅 =𝐷

2 (m)

Page 28: Mesin Berputar

32

BAB 9

REFRIGERAND LOAD

Load

Arti load dalam mesin pendingin merupakan banyaknya panas yang harus

diabsorbsi (diambil) per unit time. (BTU/hours atau TR (Ton of

Refrigerand))

TR = Tload + (2,5% sampai 5%) Tload

Komponen heat (dalam lemari pendingin) :

1. Heat conduction : beban panas dari dinding

2. Infiltration : beban panas karena pertukaran udara

3. Product heat : beban panas dari produk yang diinginkan

4. Heat sources : beban panas dari sumber panas, seperti :

- Panas lampu penerangan

- Panas motor fan

- Panas dari orang yang bekerja

Heat conduction : perpindahan panas secara konduksi, disebabkan karena

adanya perbedaan temperatur antara ruang pendingin dengan sekelilingnya

(dinding, atap, lantai).

Besar beban dipengaruhi oleh tipe isolasi, tebal isolasi, konstruksi luas

dinding luar, dan perbedaan temperatur antara ruang pendingin dan

diluarnya.

Besar panas yang mengalir per jam :

Q = A . U . 𝚫t (BTU/h)

Q = jumlah panas yang mengalir (BTU/h)

A = luas permukaan dinding (ft2)

U = koef. Perpindahan panas (BTU/h . ft2 .

0F)

Δt = perbedaan temperatur (0F)

Mengingat dinding mempunyai lapisan yang berbeda, maka tekanan panas

total dinding tersebut merupakan jumlah tekanan dinding termasuk lapisan

udaranya juga dihitung :

1

𝑈 =

1

𝑓1 +

𝑥1

𝑘1 +

𝑥2

𝑘2 +

𝑥3

𝑘3 +

1

𝑓0

Page 29: Mesin Berputar

33

Koefisien perpindahan panas dinding :

U = 1

1

𝑓1 +

𝑥1

𝑘1 +

𝑥2

𝑘2 +

𝑥3

𝑘3 +

1

𝑓0

Ket :

f1 = koefisien konduktifitas dinding dalam (BTU/h /ft2 .

0F)

fo = koefisien konduktifitas dinding luar (BTU/h /ft2 .

0F)

x1 = tebal lapisan pertama (ft)

x2 = tebal lapisan kedua (ft)

x3 = tebal lapisan ketiga (ft), dst

k1= konduktivitas lapisan dinding pertama (BTU/h . ft2 .

0F)

k2= konduktivitas lapisan dinding kedua (BTU/h . ft2 .

0F)

k3= konduktivitas lapisan dinding ketiga (BTU/h . ft2 .

0F), dst

Infiltration : beban pertukaran udara dapat terjadi karena masuknya udara

luar ke ruang pendingin, ini mengandung panas. Udara tersebut juga

menjadi beban mesin.

Beban pertukaran udara :

(Qud) = volume ruangan x pertukaran udara x faktor udara (BTU/h)

Beban produk, misal untuk menyimpan ayam

Qd = m . c . Δt (BTU/h)

Δt = t2 - t1

m = berat ayam (lb)

c = spesifik heat diatas titik beku (BTU/lb.0F)

Δt = perbedaan temperatur (0F)

t1 = temperatur daging ayam (0F)

t2 = temperatur ruang pendingin (0F)

Heat sources : beban sumber panas yang lain, misalnya lampu, orang yang

bekerja, dan motor fan.

1. Lampu

QL = 𝑥 𝑤𝑎𝑡𝑡 .3,42 (

𝐵𝑇𝑈

𝑤𝑎𝑡𝑡)

𝑦 (𝑗𝑎𝑚 ) (BTU/h)

Page 30: Mesin Berputar

34

2. Dari orang yang bekerja

Qr = 4 . 9,06 (BTU/jam) . y (jam) (BTU/h)

3. Beban dari motor fan , misal untuk fan evaporator

Qfan = (1

8 sampai

1

2) . 4250 . 24 jam (BTU/h)

Qfan = 𝑘𝑒𝑚𝑎𝑚𝑝𝑢𝑎𝑛

𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢