Ruang bakar (Combustion Chamber/COmbustor)
Ruang bakar (combustion chamber) paling mudah dijumpai pada turbin gas pembangkit listrik atau bahkan pada mesin jet pesawat terbang. Input energi kalor dari turbin gas berasal dari sebuah ruang bakar (combustion chamber). Ruang bakar menerima udara dari kompresor dan membakarnya sehingga menghasilkan energi kalor dan mengirimkannya ke turbin.
Prinsip pembakaran secara sederhana adalah reaksi kimia antara karbon atau hidrogen, dan oksigen. Kalor muncul saat reaksi berlangsung. Hasil dari pembakaran secara ideal adalah karbon dioksida dan air (H2O). Secara rumus stoikiometri dapat ditulis menjadi:
CH4 (Metana) + 4O (Oksigen) -> 2H2O (air) + CO2 (Karbon dioksida) + Heat (kalor)
4 mol oksigen diperlukan untuk membakar 1 mol metana. Hasil pembakaran adalah 1 mol karbon dioksida dan 2 mol air.
Prinsip kerja ruang bakar pada turbin gas hampir mirip seperti ruang bakar pada engine kendaraan bermotor. Saluran bahan bakar akan disemprotkan menuju ruang bakar bersamaan dengan udara bertekanan dari kompressor. Kemudian percikan api dari spark plug dinyalakan sehingga campuran bahan bakar, udara, dan percikan api spark plug terbakar dan menghasilkan udara panas bertekanan sangat tinggi. Lalu udara panas bertekanan ini akan diteruskan ke turbin untuk menghasilkan buangan udara jet dan memutar kompressor.
Pertimbangan perancangan combustion chamber/ruang bakar:
- Panjang ruang bakar. Rasio panjang dan diameter pada ruang bakar akan memengaruhi performa pembakaran.
- Penurunan tekanan (Pressure drop). Pressure drop dari ruang bakar akan memengaruhi besarnya daya sistem yang diperlukan. Semakin besar total pressure drop, semakin besar daya yang diperlukan sehingga biaya perancangan dan material cenderung lebih mahal.
- Keandalan material. Pada proses pembakaran di ruang bakar, terdapat banyak sekali getaran, transfer kalor, dan perubahan tekanan yang dapat menyebabkan material menjadi korosi, retak, atau berlubang. Jadi , ruang bakar membutuhkan material yang kuat.
- Laju aliran udara dan bahan bakar.
- Kesetimbangan stoikiometri pada komposisi bahan bakar dan udara. Dengan mengatur komposisi pembakaran, pembakaran yang terjadi akan menjadi lebih sempurna.
- Lower Heating Value (LHV). LHV adalah nilai jumlah kandungan H2O yang tidak terkondensasi pada pembakaran.
Kemampuan ruang bakar ditentukan oleh efisiensi pembakaran. Efisiensi pembakaran adalah rasio entalpi aktual dan entalpi teori. Efisiensi dapat dituliskan dengan rumus:
Efisiensi = Pertambahan entalpi aktual : Pertambahan entalpi teori = {[m(g)+m(f)]} : [m(f).LHV]
- Efisiensi (%)
- m(g) , m(f) : Laju aliran massa udara dan bahan bakar. (kg/s)
- LHV : Lower Heating Value (kj/kg)
Pertimbanggan interaksi aliran fluida yang kompleks serta reaksi kimia pembakaran membuat desain combustor menjadi cukup chalenging dilakukan secara murni analitis. Menggunakan eksperimen juga kita perlu mempertimbangkan faktor safety baik karena suhu yang tinggi atau emisi gas yang belum kita ketahui karakteristiknya. Oleh karena itu, teknologi Computational Fluid Dynamics (CFD) menjadi salah satu tools yang sangat powerfull untuk mendesain combustion chamber.
>> KLIK DI SINI UNTUK SIMULASI CFD PADA COMBUSTION CHAMBER!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Boyce, Meherwan P. 2002. Gas Turbines Engineering Handbook: Second Edition. Texas: Gulf Professional Publishing.
https://www.csidesigns.com/blog/articles/what-is-pressure-drop-and-how-does-it-affect-your-processing-system (diakses pada tanggal 6 April 2021)
pompa sentrifugal (centrifugal pump)
Pompa sentrifugal dapat dengan mudah dikenali dari bentuk casing yang menyerupai cangkang siput yang disebut gulungan (scroll). Pompa sentrifugal banyak ditemukan di sekitar lingkungan anda seperti mesin pencuci piring, bak mandi air panas, mesin cuci dan pengering pakaian, pengering rambut, dan lain-lain.
Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah memanfaatkan gaya sentrifugal yang muncul dari putaran impeller. Gaya sentrifugal adalah gaya semu yang dirasakan oleh benda yang bergerak di jalur melengkung yang bertindak keluar dari pusat rotasi. Fluida cair yang akan dipompa masuk ke saluran inlet terlebih dahulu menuju mata impeller atau pusat poros impeller. Kemudian gaya sentrifugal yang muncul dari putaran impeller akan memengaruhi fluida cair terdorong keluar dari pusat poros menuju saluran outlet pompa. Fluida yang terpompa menuju outlet akan bertambah kecepatan dan juga tekanannya.
Salah satu contoh gaya sentrifugal adalah memutar tali. Ketika tali diputar ada semacam gaya tarikan keluar menuju luar pusat rotasi yang kita rasakan pada pegangan tangan. Jangkauan lemparan tali bisa jauh disebabkan dorongan gaya sentrifugal dan dorongan tangan kita.
Putaran impeller pompa dapat menghasilkan momen gaya (torque) ke fluida cair yang masuk sehingga menciptakan gaya sentrifugal menuju outlet. Momen gaya adalah gaya luar yang menyebabkan benda bergerak melingkar mengelilingi sumbu putarnya.
Pada kasus pompa sentrifugal, momen gaya adalah perkalian cross product antara jari-jari impeller dan perubahan momentum sudut impeller. Karena perubahan momentum sudut impeller arahnya tegak lurus dengan jari-jari, arah momen gaya akan menuju impeller (90 derajat). Perlu diingat bahwa pompa sentrifugal memiliki dua impeller yang berputar bersama yaitu di inlet dan outlet. Jadi total momen gaya pompa adalah pengurangan momen gaya outlet dengan inlet.
Total momen gaya (torsi) pada pompa sentrifugal dirumuskan oleh euler dalam rumus euler’s turbine formula menjadi:
- T shaft = [r2.(m2.V2)]-[r1.(m1.V1)], karena fluida yang dipakai di outlet dan inlet sama, m1=m2=m. lalu menjadi….
- T shaft = m.[(r2.V2) – (r2.V2)]
- T = Total momen gaya (Nm)
- m = laju aliran massa fluida cair (kg/s)
- r1,r2 = Jari-jari impeller inlet (1) dan outlet (2) (m)
- V1,V2 = kecepatan linear yang tegak lurus impeller inlet dan outlet (m/s)
Namun perhitungan analisis pompa sentrifugal di lapangan tidak sesederhana itu. kompleksitas gaya-gaya yang muncul sangat rumit jika dimodelkan ke rumus matematika. Metode yang biasa digunakan untuk menganalisis aliran-alira gaya pompa adalah metode CFD. CFD adalah metode simulasi aliran fluida pada rancangan menggunakan komputer.
>> PELAJARI SELENGKAPNYA MENGENAI SIMULASI CFD PADA POMPA SENTRIFUGAL!
Kontributor: Daris Arsyada
aeroengineering services merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.
Sumber:
Cengel, Yunus A dan John M Cimbala. 2006. Fluid Mechanics: Fundamental and Application. New York: The McGraw-Hill Companies, Inc.
https://www.kompas.com/skola/read/2020/10/08/135222369/percepatan-sentripetal-pada-gerak-melingkar-beraturan?page=all (diakses pada tanggal 1 April 2021)