njajal_admob_di_blog

Pages

Friday, January 28, 2022

Turbin Induksi

patent dianggap ditarik kembali


Pendahuluan

Sebuah ide  fuel-less engine disini berusaha membuat mesin resiprokal menggunakan induksi magnet sebagai pengganti pembakaran. Ide yang cukup berani walau rasanya cukup berat merealisasikannya, mengingat mesin resiprokal sangat time-critical pada pengapiannya (pembakaran) sementara pemanas induksi tidak dapat bekerja secara instant.

Turbin adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Di dalam turbin gas energi kinetik diubah menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.

A. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:
  • Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
  • Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
  • Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel.
  • Pembuangan (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.

B. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas Induksi (Induction Gas-Turbine Engine)

  • Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
  • Pemanasan (heating) udara dari kompresor dilewatkan pipa pemanas induksi.
  • Pemuaian (expansion) gas hasil pemanasan memuai dan mengalir ke luar melalui nozel.
  • Pembuangan (exhaust) gas hasil pemanasan dikeluarkan lewat saluran pembuangan.

Perbedaan kedua turbin diatas hanya pada pemanasan udara dari kompresor.

Turbin yang dipakai pada industri[1], udara yang masuk ke kompresor dianggap bersuhu kamar, 24°C dengan tekanan 1 bar. Kompresor akan memampatkan udara hingga 200°C, 6 bar. Pemanas akan memanaskan udara ini menjadi 750°C (6 bar) dan di ekspansikan di turbin[2].

Untuk memanaskan udara dari kompresor ke turbin (pada turbin induksi ini) digunakan pipa pemanas induksi

C. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa pada Pipa

Untuk aliran dalam pipa, besarnya perpindahan kalor dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak (bulk temperature)

Dari hukum pertama termodinamika, dapat diturunkan persamaan berikut untuk menghitung kesetaraan energi
q = m.Cp(Tb2 - Tb1)
q   = pertukaran energi panas secara konveksi dari dinding ke udara
m  = laju aliran fluida (kg/s)
Cp = Panas jenis (kj/kg.°C)
Tb = Suhu dikedua ujung pipa (°C)

Nilai m (laju aliran fluida) adalah
m = ρ.υm.A

 		ρ       = Kerapatan (kg/m3)
υm    = Kec. Rata-rata (m/s)
A      = luas permukaan pipa (m²)

Rumusan konveksi paksa erat hubungannya dengan bilangan Reynolds (Re), Prandtl (Pr), dan Nusselt (Nu). Bilangan Reynolds dapat menggambarkan apakah aliran tersebut laminar atau turbulen, sedangkan bilangan Prandtl menunjukkan karakteristik termal fluida, dan bilangan Nusselt menggambarkan karakteristik proses perpindahan panas. Ketiga bilangan ini membentuk persamaan Nud = C.Redm.Prn, dimana C, m, dan n adalah konstanta yang harus ditentukan dari percobaan.

 Bilangan Reynold
Untuk mengetahui apakah alirannya laminar atau turbulen maka dibutuhkan bilangan Reynold:
μ = Kekentalan (kg/m.s)
Re ≤ 2300 -> Aliran laminar
Re ≥ 2300 -> Aliran turbulen

 Bilangan Prandtl
Bilangan Prandtl digunakan sebagai perbandingan viskositas kinematik fluida terhadap difusivitas termal fluida. Viskositas kinematik memberikan informasi tentang laju difusi momentum dalam fluida dan difusitas termal memberikan informasi tentang difusi kalor dalam fluida.
v = viskositas kinematis
μ= viskositas dinamis
Cp = kalor jenis pada tekanan kostan
k = koefisien konduktivitas termal

 Bilangan Nusselt
Merupakan bilangan yang digunakan untuk menentukan distribusi suhu permukaan atau plat.


Bilangan Nusselt untuk aliran Laminar berkembang penuh
jika


Bilangan Nusselt untuk Aliran Turbulen berkembang penuh menurut Sieder-Tate
μ = suhu fluida
μw = suhu dinding

Untuk kondisi dimana 0,6 < Pr < 100; Re≥10.000; dan L/D≥10, digunakan persamaan Dittus-Boelter berikut ini
Nu = 0,023.Re0,8Prnn = 0,4 untuk pemanas
n = 0,3 untuk pendingin

Persamaan Dittus-Boelter digunakan pada perbedaan suhu yang moderat, dan semua di hitung pada Tm.

Untuk mendapatkan bilangan Nusselt yang lebih presisi untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully developed turbulent flow) dalam tabung licin, digunakan persamaan Gnielinski berikut :
n = 0,11 jika Tw >Tb
n = 0,25 jikaTw < Tb

Persamaan Gnielinski ini valid untuk 0,5<Pr<2.000; dan 3.000<Re<5x106.
Koefisien Perpindahan Kalor
Pemanas / HeaterQheater = h.2π.r.L(Tw - Tb) Watt
Suhu Limbak / Suhu Film
Dengan menggunakan rumus-rumus konveksi paksa pada pipa, untuk memanaskan udara sebanyak 1000Kg/detik dari 20°C hingga 900°C diperlukan pipa (besi) diameter 1 cm bersuhu 1200°C sepanjang:
q = m.Cp(Tb2 - Tb1) = h.A(Tw - Tb)
                    = ρ.Um.A.Cp(900 - 20)
                    = ρ.Um.πr².Cp(900 - 20)

Nilai ρ dan Cp didapat dari tabel sifat udara
            ρ       = 0.481540 Kg/m³
            Cp      = 1,082944 j/KgK

Dan temperatur limbak : Tb = (900 + 20)/2 = 4600C
Maka        q       = 0.481540 π (0,005)2 x 1.082944 (900 - 20)
            q       = 380790,962074 W

Untuk permukaan tabung dengan kekasaran relatif, temperatur rata-ratanya:
            Tf      = (1200+460)/2 = 830°C

Pada temperatur rata-rata ini, nilai-nilai
            ρ       = 0.320024 kg/m3
            k       = 7,22224Ex10-4 w/m°C
            Pr      = 0.706822
            υ       = 4,40299Ex10-4 m2/s
            μ = ρ.υ = 5,20899x10-4 kg/m.s
            Re      = 76791054,734092 -=> Turbulen

Faktor gesek = [0.790 ln(Re)-1.64]2;
             = 0.028934

maka rumus yang digunakan :
            n      = 0,11 karna Tw > Tb
            μb     = 3,43170E-004 kg/m.s
            μw     = 5,20899E-004 kg/m.s

Maka perhitungan panjang pipa digunakan rumus Nusselt Sieder & Tate, dimana 0,7<Pr<16700; dan Re>>10000; L/D>10, yakni:

Nusselt                46132,610269
Koef.pindah kalor [h]  3331,807479 W/m²K
Panjang Pipa           4,134035 m
Adapun perhitungan panjang pipa dari angka Nusselt yang lain adalah

 Mills, 0.5<Pr<2000; 3000<Re<5x10^6
Nusselt               41990,072815
Koef.pindah kalor [h]  3032,623514 W/m²K
Panjang Pipa              4,541879 m

 Gnielinski, 0,5<Pr<2000; 3000<Re<10^6
Nusselt               39243,053934
Koef.pindah kalor [h]  2834,227239 W/m²K
Panjang Pipa               4,859811 m

 Dittus Boelter, 0.6<Pr<160; 10.000<Re<160.000; L/D>10 {50?}
Nusselt               40709,927308
Koef.pindah kalor [h]  2940,168343 W/m²K
Panjang Pipa               4,684701 m

 Whitaker, 0,67<Pr<380; 3.5<Re<7.6e4
Nusselt               11249,075955
Koef.pindah kalor [h]   812,435177 W/m²K
Panjang Pipa             16,953734 m

 Churchill-Ozoe, Re.Pr>0.2, 7e4<Re<4e5
Nusselt               1260946,881481
Koef.pindah kalor [h] 91068,600419 W/m²K
Panjang Pipa              0,151247 m

Jadi, secara teoritis, untuk mendapatkan suhu udara 750°C dengan tekanan 6 bar menuju turbin, diperlukan pipa besi pemanas berdiameter 1 cm, suhu 900°C sepanjang 4,2 m (Sieder & Tate) hingga 16 m (Whitaker). Nilai panjang pipa sesungguhnya dapat diperoleh melalui percobaan. Dalam proyek ini, pipa besi akan dipanaskan menggunakan pemanas induksi, setelah melihat beberapa video di Youtube bahwa pemanas induksi 1000 Watt mampu memanaskan besi hingga pijar dan diharapkan dapat digunakan sebagai boiler induksi untuk PLTU. Untuk memanaskan pipa sepanjang 4,2 meter, digunakan beberapa pemanas induksi yang dipasang secara seri (berdampingan) sepanjang pipa
Saya membuat tool berikut ini untuk menghitung panjang pipa untuk pemanas induksi konveksi paksa pada pipa (aliran udara, turbulensi)

D. Pemanas induksi

Pemanas Induksi (Induction Heating) adalah sistem pemanas dengan menggunakan induksi medan magnet yang dihasilkan dari frekuensi tinggi. Panas muncul karena pada objek timbul arus Eddy atau arus pusat yang arahnya melingkar melingkupi medan magnet yang menembus objek[3].

Gambar 1. Ilustrasi Jalur Medan magnet

 Cara Kerja Pemanas Induksi
Tegangan bolak-balik dengan frekuensi tinggi dibangkitkan oleh modul daya, dikirimkan ke kumparan untuk menimbulkan fluks. Besar kecilnya fluks yang di bangkitkan bergantung pada luas bidang kumparan induksi yang digunakan. Hal ini dikarenakan pemanas induksi memanfaatkan rugi-rugi yang terjadi pada kumparan penginduksi. Panas yang dihasilkan pada material sangat bergantung kepada besarnya arus eddy yang diinduksikan oleh lilitan induktor.
Menurut Lozinski[4], hal yang dapat menetukan banyaknya arus Eddy pada logam adalah :
  1. Besar medan magnet yang menginduksi Logam
  2. Bahan logam yang digunakan untuk menghasilkan panas. Semakin kecil hambatan jenis logam, semakin baik untuk dijadikan obyek panas logam
  3. Luas permukaan logam, makin luas permukaan logam maka makin banyak arus Eddy pada permukaan logam tersebut
  4. Frekuensi, semakin tinggi frekuensi maka semakin banyak medan magnet yang dihasilkan

 Karakteristik pemanas induksi
  1. Mampu memanaskjan obyek dalam waktu yang relatif singkat. Hal ini dikarenakan kerapatan energinya tinggi
  2. Dapat menghasilkan suhu yang sangat tinggi
  3. Pemanasan dapat dilakukan pada lokasi tertentu
  4. Sistem dapat dibuat bekerja secara otomatis
  5. Secara umum, memiliki efisiensi energi yang tinggi, akan tetapi hal ini bergantung pada karakteristik material yang dipanaskan
  6. Rugi-rugi pemanasan dapat ditekan seminimal mungkin

 Keuntungan pemakaian pemanas induksi
  1. Panas dihasilkan secara langsung didalam dinding barrel
  2. Panas dapat diterapkan seragam di seluruh barrel
  3. Operasi elemen dingin, sehingga tidak memiliki batas waktu
  4. Waktu start up cepat
  5. Hemat energi
Rangkaian inverter (oscilator) berikut ini[5] akan menghasilkan frekwensi ± 100 kHz dengan daya maksimum yang dibutuhkan 1000 watt. Panas induksi yang dihasilkan dapat membuat besi menjadi pijar. Untuk mengatur suhu yang dihasilkan, tegangan input dapat diatur dari 10 volt hingga 48 volt (DC 20 Ampere)
1D1, D2Diode MUR420
2DZ1, DZ2Zener Diode 12V - 1W
3C1-C6Capacitors MKP polypropylene 0,33 mF 630 V
4L1, L26 coils of 0.8 mm thick copper, diameter 6 mm (1,26 mH)
5M1, M2MOSFETs IRFP260N (Infineon)
6R14,7 kΩ
7R2, R5470 Ω
8R3, R410 kΩ


E. Tata laksana percobaan

  1. Membuat pemanas induksi untuk memanaskan pipa sepanjang 2,5 meter
  2. Gunakan kompresor dengan tekanan 6 bar (=87 psi) untuk simulasi pemanas induksi, inputkan ke pipa pemanas induksi
  3. Ukur suhu udara keluar di ujung keluaran pipa pemanas induksi
    • Jika diperoleh suhu 750°C maka percobaan selanjutnya dapat dilakukan pada turbin
    • Jika diperoleh suhu kurang dari 750°C maka ulangi percobaan dengan pipa yag lebih panjang hingga didapat suhu keluaran 750°C dan lanjutkan pada turbin
  4. Pasang pipa pemanas induksi pada turbin menggantikan burner. Sesuaikan manifold jika perlu
  5. Sesuaikan sensor putaran dengan inverter / oscilator pemanas induksi
  6. Lakukan pengujian pada turbin pemanas induksi
Tabel property udara
Temp.Densitas ρSpec Heat CVKondktvts Thermal KViskositas Kinetik VPrandtl
°C(kg/m³)j/KgKx10-5 W/m°Cx10-5 m²/s
-982,0170,71521,5930,5860,744
-731,7650,71541,8090,7530,736
-481,5690,71562,020,9350,728
-231,4120,7162,2271,1320,72
21,2840,71672,4281,3430,713
271,1770,71782,6241,5680,707
521,0860,71922,8161,8070,701
771,0090,72113,0032,0560,697
1020,94130,72353,1862,3170,692
1270,88240,72643,3652,5910,688
1770,78440,73353,713,1680,684
2270,7060,74244,0413,7820,68
2770,64180,75274,3574,4390,68
3270,58830,7644,6615,1280,68
3770,5430,77584,9545,8530,682
4270,50430,78795,2366,6070,684
4770,47060,79995,5097,3990,687
5270,44120,81165,7748,2140,69
5770,41530,8236,039,0610,693
6270,39220,83386,2769,9360,696
6770,37160,84426,5210,830,699
7270,3530,8546,75411,760,702
7770,33620,86316,98512,720,704
8270,32090,87187,20913,70,707
8770,30690,87997,42714,70,709
9270,29410,88757,6415,730,711
9770,28240,89467,84916,770,713
10270,27150,90138,05417,850,715
10770,26150,90758,25318,940,717
11270,25210,91348,4520,060,719
12270,23530,92418,83122,360,722
13270,22060,93369,19924,740,724
14270,20760,94229,55427,20,726
15270,19610,94999,89929,720,728
16270,18580,956910,23332,340,73


 [1] Drs Sunyoto, Teknik Mesin Industri Jilid 3, Kelas 12, Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Departemen Pendidikan Nasional, 2008
 [2] http://abangirfan62.blogspot.co.id
 [3] http://blog4alio.blogspot.com/
 [4] Mikhael Grigor’evich Lozinsk’i, Industrial Application of Induction Heater, Oxford, New York, Pergamon Press, 1969
 [5] https://www.open-electronics.org/
Posted by at No comments:
Labels: , , , , ,
Subscribe to: Posts (Atom)