Siklus Brayton

Siklus Brayton, yang juga dikenal sebagai siklus Joule, adalah siklus termodinamika yang menggambarkan pengoperasian mesin kalor tertentu yang menggunakan udara atau gas lain sebagai fluida kerjanya. Siklus ini dicirikan oleh kompresi dan ekspansi isentropik, serta penambahan dan pelepasan kalor isobarik, meskipun mesin praktis memiliki langkah adiabatik daripada isentropik.

Aplikasi paling umum saat ini adalah pada mesin jet bernapas udara dan mesin turbin gas.according to Gas Turbine History 

Siklus mesin ini dinamai menurut George Brayton (1830–1892), insinyur Amerika, yang mengembangkan Brayton Ready Motor pada tahun 1872, menggunakan kompresor piston dan piston expander. Mesin yang menggunakan siklus ini awalnya diusulkan dan dipatenkan oleh orang Inggris John Barber pada tahun 1791, menggunakan kompresor resiprokal dan turbin expander.

Ada dua jenis utama siklus Brayton: tertutup dan terbuka. Dalam siklus tertutup, gas yang bekerja tetap berada di dalam mesin. Panas dimasukkan dengan penukar panas atau pembakaran eksternal dan dikeluarkan dengan penukar panas. Dengan siklus terbuka, udara dari atmosfer ditarik masuk, melewati tiga langkah siklus, dan dikeluarkan lagi ke atmosfer. Siklus terbuka memungkinkan pembakaran internal. Meskipun siklusnya terbuka, secara konvensional diasumsikan untuk tujuan analisis termodinamika bahwa gas buang digunakan kembali dalam intake, yang memungkinkan analisis sebagai siklus tertutup.

 Sejarah 
Pada tahun 1872, George Brayton mengajukan paten untuk "Ready Motor" miliknya, sebuah mesin panas bolak-balik yang beroperasi pada siklus tenaga gas. Mesin tersebut adalah mesin dua langkah dan menghasilkan tenaga pada setiap putaran. Mesin Brayton menggunakan kompresor piston dan piston ekspander yang terpisah, dengan udara terkompresi yang dipanaskan oleh api internal saat memasuki silinder ekspander. Versi pertama mesin Brayton adalah mesin uap yang mencampur bahan bakar dengan udara saat memasuki kompresor; gas kota digunakan atau karburator permukaan juga digunakan untuk operasi bergerak. Bahan bakar/udara ditampung dalam reservoir/tangki dan kemudian dimasukkan ke dalam silinder ekspansi dan dibakar. Saat campuran bahan bakar/udara memasuki silinder ekspansi, campuran tersebut dinyalakan oleh api pilot. Sebuah layar digunakan untuk mencegah api masuk atau kembali ke reservoir. Pada versi awal mesin, layar ini terkadang rusak dan terjadi ledakan. Pada tahun 1874, Brayton memecahkan masalah ledakan dengan menambahkan bahan bakar tepat sebelum silinder ekspander. Mesin tersebut kini menggunakan bahan bakar yang lebih berat seperti minyak tanah dan bahan bakar minyak. Pengapian tetap menjadi api pilot. Brayton memproduksi dan menjual "Ready Motors" untuk melakukan berbagai tugas seperti pemompaan air, pengoperasian pabrik, menjalankan generator, dan propulsi laut. "Ready Motors" diproduksi dari tahun 1872 hingga sekitar tahun 1880-an; beberapa ratus motor semacam itu kemungkinan diproduksi selama periode waktu ini. Brayton melisensikan desain tersebut kepada Simone di Inggris. Banyak variasi tata letak yang digunakan; beberapa bekerja tunggal dan beberapa bekerja ganda. Beberapa memiliki balok bawah; yang lain memiliki balok atas. Baik model horizontal maupun vertikal dibuat. Ukurannya berkisar dari kurang dari satu hingga lebih dari 40 tenaga kuda. Kritikus pada saat itu mengklaim mesin tersebut berjalan lancar dan memiliki efisiensi yang wajar.

Mesin siklus Brayton merupakan salah satu mesin pembakaran internal pertama yang digunakan sebagai tenaga penggerak. Pada tahun 1875, John Holland menggunakan mesin Brayton untuk menggerakkan kapal selam self-propelled pertama di dunia (kapal Holland #1). Pada tahun 1879, mesin Brayton digunakan untuk menggerakkan kapal selam kedua, Fenian Ram. Kapal selam John Philip Holland dilestarikan di Museum Paterson di Distrik Bersejarah Old Great Falls di Paterson, New Jersey.

Pada tahun 1878, George B. Selden mematenkan mobil pembakaran internal pertama. Terinspirasi oleh mesin pembakaran internal yang diciptakan oleh Brayton yang dipamerkan di Centennial Exposition di Philadelphia pada tahun 1876, Selden mematenkan mobil roda empat yang mengerjakan versi multisilinder yang lebih kecil dan lebih ringan. Dia kemudian mengajukan serangkaian amendemen pada permohonannya yang memperpanjang proses hukum, yang mengakibatkan penundaan selama 16 tahun sebelum paten diberikan pada tanggal 5 November 1895. Pada tahun 1903, Selden menggugat Ford atas pelanggaran paten dan Henry Ford memperjuangkan paten Selden hingga tahun 1911. Selden tidak pernah benar-benar memproduksi mobil yang berfungsi, jadi selama persidangan, dua mesin dibuat sesuai dengan gambar paten. Ford berargumen mobilnya menggunakan siklus Alphonse Beau de Rochas empat langkah atau siklus Otto dan bukan mesin siklus Brayton yang digunakan dalam mobil Selden. Ford memenangkan banding dari kasus awal.

Pada tahun 1887, Brayton mengembangkan dan mematenkan mesin oli injeksi langsung empat langkah. Sistem bahan bakar menggunakan pompa kuantitas variabel dan injeksi tipe semprot bertekanan tinggi berbahan bakar cair. Cairan dipaksa melalui katup tipe pelepas pegas (injektor) yang menyebabkan bahan bakar terbagi menjadi tetesan kecil. Penyuntikan diatur waktunya agar terjadi pada atau mendekati puncak langkah kompresi. Sebuah penyala platinum menyediakan sumber penyalaan. Brayton menjelaskan penemuannya sebagai: "Saya telah menemukan bahwa oli berat dapat diubah secara mekanis menjadi kondisi terbagi halus di dalam bagian penyalaan silinder, atau di ruang penyalaan yang berkomunikasi." Bagian lain berbunyi, "Untuk pertama kalinya, sejauh pengetahuan saya, saya telah mengatur kecepatan dengan mengendalikan secara bervariasi pembuangan langsung bahan bakar cair ke dalam ruang pembakaran atau silinder menjadi kondisi terbagi halus yang sangat mendukung pembakaran langsung." Ini kemungkinan merupakan mesin pertama yang menggunakan sistem pembakaran ramping untuk mengatur kecepatan dan output mesin. Dengan cara ini, mesin menyala pada setiap langkah daya dan kecepatan serta output dikontrol hanya oleh kuantitas bahan bakar yang disuntikkan.

Pada tahun 1890, Brayton mengembangkan dan mematenkan mesin oli empat langkah dengan semburan udara. Sistem bahan bakar menyalurkan sejumlah bahan bakar yang diuapkan ke bagian tengah silinder di bawah tekanan pada atau di dekat puncak langkah kompresi. Sumber pengapian adalah penyala yang terbuat dari kawat platina. Pompa injeksi dengan jumlah yang bervariasi menyalurkan bahan bakar ke injektor, yang kemudian dicampur dengan udara saat memasuki silinder. Kompresor kecil yang digerakkan engkol menyediakan sumber udara. Mesin ini juga menggunakan sistem pembakaran ramping.

Rudolf Diesel awalnya mengusulkan siklus kompresi sangat tinggi, suhu konstan, di mana panas kompresi akan melebihi panas pembakaran, tetapi setelah beberapa tahun melakukan percobaan, ia menyadari bahwa siklus suhu konstan tidak akan bekerja pada mesin piston. Mesin Diesel awal menggunakan sistem semburan udara yang dipelopori oleh Brayton pada tahun 1890. Akibatnya, mesin-mesin awal ini menggunakan siklus tekanan konstan.

 Sejarah awal turbin gas 
 1791 Paten pertama untuk turbin gas (John Barber, Inggris Raya)
 1904 Proyek turbin gas yang gagal oleh Franz Stolze di Berlin (kompresor aksial pertama)
 Turbin gas Armengaud-Lemale tahun 1906 di Prancis (kompresor sentrifugal, tidak ada daya yang berguna)
 1910 Turbin gas pertama yang menampilkan pembakaran berselang (Holzwarth 150 kW, pembakaran volume konstan)
 1923 Turbocharger gas buang pertama yang meningkatkan tenaga mesin diesel
 1939 Heinkel He 178 bertenaga turbojet, pesawat jet pertama di dunia, melakukan penerbangan perdana. Turbin gas pertama di dunia untuk pembangkit listrik oleh Brown-Boveri, Neuchâtel, Swiss

 Model 
Mesin tipe Brayton terdiri dari tiga komponen: kompresor, ruang pencampuran, dan ekspander.

Mesin Brayton modern hampir selalu berjenis turbin, meskipun Brayton hanya membuat mesin piston. Pada mesin Brayton asli abad ke-19, udara sekitar ditarik ke kompresor piston, di mana ia dikompresi ; idealnya proses isentropik. Udara terkompresi kemudian melewati ruang pencampuran di mana bahan bakar ditambahkan, proses isobarik. Campuran udara dan bahan bakar bertekanan kemudian dinyalakan dalam silinder ekspansi dan energi dilepaskan, menyebabkan udara panas dan produk pembakaran mengembang melalui piston/silinder, proses isentropik ideal lainnya. Sebagian kerja yang diekstraksi oleh piston/silinder digunakan untuk menggerakkan kompresor melalui pengaturan poros engkol.

Mesin turbin gas juga merupakan mesin Brayton, dengan tiga komponen: kompresor udara, ruang pembakaran, dan turbin gas.

Siklus Brayton ideal:
 proses isentropik – udara sekitar ditarik ke dalam kompresor, di mana ia diberi tekanan.
 proses isobarik – udara terkompresi kemudian melewati ruang pembakaran, tempat bahan bakar dibakar, memanaskan udara tersebut—proses tekanan konstan, karena ruang terbuka untuk mengalir masuk dan keluar.
 proses isentropik – udara yang dipanaskan dan bertekanan kemudian melepaskan energinya, mengembang melalui turbin (atau serangkaian turbin). Sebagian kerja yang diambil oleh turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor.
 proses isobarik – penolakan panas (di atmosfer).
Siklus Brayton yang sebenarnya:
 proses adiabatik – kompresi
 proses isobarik – penambahan panas
 proses adiabatik – ekspansi
 proses isobarik – pembuangan panas


Karena baik kompresi maupun ekspansi tidak dapat benar-benar isentropik, kerugian melalui kompresor dan ekspander merupakan sumber inefisiensi kerja yang tidak dapat dihindari. Secara umum, meningkatkan rasio kompresi adalah cara paling langsung untuk meningkatkan daya keluaran keseluruhan sistem Brayton.

Efisiensi siklus Brayton yang ideal adalah , di mana  adalah rasio kapasitas panas. Gambar 1 menunjukkan bagaimana efisiensi siklus berubah seiring dengan peningkatan rasio tekanan. Gambar 2 menunjukkan bagaimana daya keluaran spesifik berubah seiring dengan peningkatan suhu masuk turbin gas untuk dua nilai rasio tekanan yang berbeda.

Suhu gas tertinggi dalam siklus terjadi saat kerja ditransfer ke turbin tekanan tinggi (saluran masuk rotor). Ini lebih rendah dari suhu gas tertinggi di mesin (zona pembakaran). Suhu siklus maksimum dibatasi oleh bahan turbin dan masa pakai turbin yang dibutuhkan. Ini juga membatasi rasio tekanan yang dapat digunakan dalam siklus. Untuk suhu saluran masuk turbin tetap, keluaran kerja bersih per siklus meningkat dengan rasio tekanan (dengan demikian efisiensi termal) dan keluaran kerja bersih. Dengan keluaran kerja yang lebih sedikit per siklus, laju aliran massa yang lebih besar (dengan demikian sistem yang lebih besar) diperlukan untuk mempertahankan keluaran daya yang sama, yang mungkin tidak ekonomis. Dalam sebagian besar desain umum, rasio tekanan turbin gas berkisar antara sekitar 11 hingga 16.

 Metode untuk meningkatkan daya 
Tenaga keluaran mesin Brayton dapat ditingkatkan dengan:

 Pemanasan ulang, di mana fluida kerja —dalam kebanyakan kasus udara—mengembang melalui serangkaian turbin, kemudian dialirkan melalui ruang pembakaran kedua sebelum mengembang ke tekanan sekitar melalui rangkaian turbin terakhir, memiliki keuntungan dalam meningkatkan daya keluaran yang mungkin untuk rasio kompresi tertentu tanpa melampaui batasan metalurgi apa pun (biasanya sekitar 1000 °C). Penggunaan afterburner untuk mesin pesawat jet juga dapat disebut sebagai "pemanasan ulang"; ini adalah proses yang berbeda karena udara yang dipanaskan ulang diekspansikan melalui nosel dorong dan bukan turbin. Batasan metalurgi agak berkurang, sehingga memungkinkan suhu pemanasan ulang yang jauh lebih tinggi (sekitar 2000 °C). Pemanasan ulang paling sering digunakan untuk meningkatkan daya spesifik, dan biasanya dikaitkan dengan penurunan efisiensi; efek ini terutama terlihat pada afterburner karena jumlah bahan bakar tambahan yang digunakan sangat banyak.
 Pada overspray, setelah tahap kompresor pertama, air disuntikkan ke dalam kompresor, sehingga meningkatkan aliran massa di dalam kompresor, meningkatkan daya keluaran turbin secara signifikan dan mengurangi suhu outlet kompresor. Pada tahap kompresor kedua, air sepenuhnya diubah menjadi bentuk gas, menawarkan beberapa pendinginan melalui panas laten penguapannya.

 Metode untuk meningkatkan efisiensi 
Efisiensi mesin Brayton dapat ditingkatkan dengan:

 Peningkatan rasio tekanan, seperti yang ditunjukkan Gambar 1 di atas, peningkatan rasio tekanan akan meningkatkan efisiensi siklus Brayton. Hal ini serupa dengan peningkatan efisiensi yang terlihat pada siklus Otto saat rasio kompresi ditingkatkan. Namun, terdapat batasan praktis saat meningkatkan rasio tekanan. Pertama-tama, peningkatan rasio tekanan akan meningkatkan suhu pembuangan kompresor. Karena suhu turbin memiliki batasan yang ditentukan oleh kendala metalurgi dan masa pakai, kenaikan suhu yang diizinkan (bahan bakar yang ditambahkan) dalam ruang bakar menjadi lebih kecil. Selain itu, karena panjang bilah kompresor menjadi semakin kecil pada tahap tekanan yang lebih tinggi, celah operasi yang konstan, melalui kompresor, antara ujung bilah dan casing mesin menjadi persentase yang lebih besar dari tinggi bilah kompresor, sehingga meningkatkan kebocoran udara melewati ujung. Hal ini menyebabkan penurunan efisiensi kompresor, dan kemungkinan besar terjadi pada turbin gas yang lebih kecil (karena bilah pada dasarnya lebih kecil). Akhirnya, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 1, efisiensi akan menurun saat rasio tekanan meningkat. Oleh karena itu, peningkatan rasio tekanan lebih lanjut hanya diharapkan menghasilkan sedikit keuntungan jika sudah berada pada level tinggi.
 Recuperator – Jika siklus Brayton dijalankan pada rasio tekanan rendah dan peningkatan suhu tinggi di ruang pembakaran, gas buang (setelah tahap turbin terakhir) mungkin masih lebih panas daripada gas masuk yang dikompresi (setelah tahap kompresi terakhir tetapi sebelum pembakar). Dalam hal itu, penukar panas dapat digunakan untuk mentransfer energi termal dari gas buang ke gas yang sudah dikompresi, sebelum memasuki ruang pembakaran. Energi termal yang ditransfer digunakan kembali secara efektif, sehingga meningkatkan efisiensi. Namun, bentuk daur ulang panas ini hanya mungkin jika mesin dijalankan dalam mode efisiensi rendah dengan rasio tekanan rendah sejak awal. Mentransfer panas dari outlet (setelah turbin terakhir) ke inlet (sebelum tahap kompresor pertama) akan mengurangi efisiensi, karena udara masuk yang lebih panas berarti lebih banyak volume, sehingga lebih banyak kerja untuk kompresor. Untuk mesin dengan bahan bakar kriogenik cair, yaitu hidrogen, mungkin layak, meskipun, untuk menggunakan bahan bakar untuk mendinginkan udara masuk sebelum kompresi untuk meningkatkan efisiensi. Konsep ini dipelajari secara ekstensif untuk mesin SABRE.
 Mesin Brayton juga membentuk setengah dari sistem siklus gabungan, yang dikombinasikan dengan mesin Rankine untuk lebih meningkatkan efisiensi keseluruhan. Namun, meskipun ini meningkatkan efisiensi keseluruhan, hal ini tidak benar-benar meningkatkan efisiensi siklus Brayton itu sendiri.
 Sistem kogenerasi memanfaatkan panas buangan dari mesin Brayton, biasanya untuk produksi air panas atau pemanas ruangan.

 Lihat pula 
 Pesawat jet
 Generator gas 
 Kombustor 
 Kontrol mesin pesawat
 Kompresor (pemampat)
 Desain perhitungan kipas aksial
 Bilah turbin
 Bahan bakar penerbangan
 Bahan bakar jet
 Propelan roket
 Propelan roket cair
 Gaya (fisika) 
 Daya
 Laju
 Tekanan
 Efisiensi energi
 Mesin jet
 Turbojet
 Turbofan
 Propfan
 Turboshaft
 Turboprop
 Turbin gas
 Mesin reaksi
 Baling-baling
 Baling-baling pesawat
 Kinerja mesin jet
 Rasio tekanan mesin (EPR)

 Referensi 

Kategori:Siklus termodinamika
Kategori:Teknologi mesin
Kategori:Turbin gas