Dokumen tersebut memberikan contoh soal tentang perhitungan kerja bersih, kalor masuk, dan efisiensi termal siklus untuk mesin turbin gas standar udara dengan asumsi-asumsi tertentu seperti temperatur masuk, rasio tekanan, dan efisiensi komponen. Termasuk juga penjelasan tentang proses kompresi, ekspansi, dan pemasukan kalor pada ruang bakar beserta definisi efisiensi komponen.

1. Materi Ajar
“MESIN KONVERSI ENERGI II”
INDERALAYA, 15 APRIL 2015
Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Sriwijaya

2. Contoh Soal:
1. Suatu turbin gas standar udara (ideal) mempunyai
temperatur udara masuk kompresor 59 F dan temperatur
masuk turbin 2060 F. Dengan asumsi kalor spesifik tekanan
konstan adalah konstan sebesar 0,24 (Btu/lbm.R) dan rasio
kalor spesifik sebesar 1,4 (konstan), hitunglah:
a). Rasio tekanan yang akan memberikan Kerja Bersih
Maksimum.
b).Kerja Kompresor, Kerja Turbin, Kalor Masuk dalam satuan
Btu/lbm, dan Efisiensi Termal Siklus tersebut untuk Kerja Bersih
Maksimum.
c).Efisiensi Termal Siklus dan Kerja Bersih dalam satuan Btu/lbm
jika rasio tekanan diturunkan 10 % dari rasio tekanan yang
memberikan Kerja Bersih Maksimum.

3. d). Efisiensi Termal Siklus dan Kerja Bersih dalam satuan Btu/lbm
jika rasio tekanan dinaikkan 10 % dari rasio tekanan yang
memberikan Kerja Bersih Maksimum.
Solusi:
Untuk mencapai / menghasilkan kerja bersih maksimum maka:
T2 = , dimana: T1 = temp. masuk kompresor
= 59 F + 460 = 519 R
T3 = temp. masuk turbin
= 2060 F + 460 = 2520 R
Jadi: T2 =
31 TT
)2520)(519(
= 1143,6
R

4. a). Jadi rasio tekanan yang memberikan (WNET)maks adalah,
rp = 15,88.
b). Kerja Kompresor, WK = cp (T2 – T1)
= 0,24 (1143,6 – 519)
= 149,9 (Btu/lbm)
Kerja Turbin, WT = cp (T3 – T4)
1
2
P
P
1)-K/2(K
1
3
T
T






1)-1,4/2(1,4
519
5202






=
r = = K = 1,4
= 15,88
=
1
2
T
T
4
3
T
T
T4 = =
2
31
T
TT
=
2
2
2
T
T
T2

5. WT = 0,24 (2520 – 1143,6) = 330,3 (Btu/lbm)
Kalor Masuk, qin = cp (T3 – T2) = 0,24 (2520 – 1143,6)
= 330,3 (Btu/lbm)
Kerja Bersih, WNET = WT - WK = 330,3 – 149,9 = 180,4 (Btu/lbm)
Efisiensi Termal Siklus: ηth = = 0,546 = 54,6 %
c). Jika rp diturunkan 10 %, maka diperoleh:
rp = (1 – 0,1) x 15,88 = 14,292
=
in
NET
q
W
330,3
180,4
=
1
2
T
T
( ) 1)/K-(K
pr T2 = T1
( ) 1)/K-(K
pr = 519 (14,292)0,4/1,4
= 1109,7 R
4
3
T
T
=
1
2
T
T
T4 = =
2
31
T
TT
1109,7
2520x519
= 1178,6 R

6. Kerja Kompresor, WK = cp (T2 – T1)
= 0,24 (1109,7 – 519)
= 141,8 (Btu/lbm)
Kerja Turbin, WT = cp (T3 – T4) = 0,24 (2520 – 1178,6)
= 321,9 (Btu/lbm)
Kalor Masuk, qin = cp (T3 – T2) = 0,24 (2520 – 1109,7)
= 338,5 (Btu/lbm)
Kerja Bersih, WNET = WT - WK = 321,9 – 141,8
= 180,1 (Btu/lbm)
Efisiensi Termal Siklus: ηth = = 0,525 = 52,5 %
=
in
NET
q
W
330,3
180,4

7. d). Jika rp dinaikkan 10 %, maka diperoleh:
rp = (1 + 0,1) x 15,88 = 17,468
= T2 = T1
Kerja Kompresor, WK = cp (T2 – T1)
= 0,24 (1175,2 – 519)
= 157,5 (Btu/lbm)
Kerja Turbin, WT = cp (T3 – T4) = 0,24 (2520 – 1112,9)
= 337,7 (Btu/lbm)
1
2
T
T
( ) 1)/K-(K
pr ( ) 1)/K-(K
pr = 519 (17,468)0,4/1,4
= 1175,2 R
=
1
2
T
T
4
3
T
T
T4 = =
2
31
T
TT
=
1175,2
2520x519
1112,9 R

8. Kalor Masuk, qin = cp (T3 – T2) = 0,24 (2520 – 1175,2)
= 322,8 (Btu/lbm)
Kerja Bersih, WNET = WT - WK = 337,7– 157,5
= 180,2 (Btu/lbm)
Efisiensi Termal Siklus: ηth =
= 0,558 = 55,8 %
=
in
NET
q
W
322,8
180,2

9. SIKLUS DASAR TURBIN GAS DENGAN GESEKAN
(Standar Udara)
Pada Mesin Turbin Gas Aktual, kompresor dan turbin dapat dia-
sumsikan beroperasi secara adiabatik tetapi bukan isentropik.
Proses Penambahan Kalor akan mengalami penurunan tekanan,
dan tekanan pada saluran keluar turbin akanlebih besar dari te-
kanan masuk kompresor, sehingga efisiensi kompresor
isentropik (kadang disebut juga efisiensi kompresor adiabatik),
adalah:
ηK =






aktualkompresikerja
isentropikkompresikerja
pada tekanan akhir yang sama
==
a
i
W
W
12a
12i
hh
hh
−
−

10. dimana:
h1 = entalpi udara masuk kompresor
h2i = entalpi udara keluar kompresor pada tekanan akhir
kompresor (p2) dengan proses kompresi isentropik
h2a = entalpi udara keluar kompresor pada tekanan akhir
kompresor (p2) dengan proses kompresi adiabatik
Sedangkan efisiensi turbin isentropik (kadang disebut juga
efisiensi turbin adiabatik) adalah:
ηK =
dimana:
h3 = entalpi udara masuk turbin pada tekanan, p3
h4a = entalpi udara keluar turbin pada tekanan keluar, p4 dengan
proses ekspansi adiabatik
h4i = entalpi udara keluar turbin pada tekanan keluar, p4 dengan






isentropikturbinkerja
aktualturbinkerja
==
ti
ta
W
W
4i3
4a3
hh
hh
−
−

11. Kerugian Tekanan (Pressure Loss) didefinisikan sebagai
”Penurunan Tekanan” (Pressure Drop) dibagi dengan Tekanan
Masuk Total. Jadi Pressure Loss pada ruang bakar adalah:
=
Kerugian Tekanan Keluar dapat dituliskan sebagai:
=
Layout dari Mesin Turbin Gas dengan Gesekan (Gbr. 3) dan
Diagram T-s siklusnya (Gbr. 4) dapat dilihat berikut ini.
CC
p
p





 ∆
2
23
p
p-p
E
p
p





 ∆
1
14
p
p-p

12. Kompresor
udara
1
Kerja
2
Ruang Bakar
3
Turbin
4
Gas Buang
Bahan bakar
Gambar 3 Mesin Turbin Gas dengan Gesekan

13. Gambar 4 Diagram T-s Siklus Turbin Gas dengan Gesekan
1- 2i : Proses kompresi isentropik dalam kompresor
1- 2a : Proses kompresi adiabatik dalam kompresor
3- 4i : Proses ekspansi isentropik dalam turbin
3- 4a : Proses ekspansi adiabatik dalam turbin
2a-3 : Proses pemasukan kalor pada ruang bakar dengan
penurunan tekanan dari p2 ke p3.
T
4a
3
2i
p1
s
p3
p4
p2
4i
1
2a

14. Untuk suatu proses isentropik dan kalor spesifik bervariasi
berlaku hubungan sebagai berikut:
= dan =
dimana:
pr = tekanan relatif (dari Tabel Gas)
vr = volume relatif (dari Tabel Gas)
1
2,1
r
r
p
p
1
2
p
p
1
2,1
r
r
v
v
1
2
v
v

15. Contoh Soal:
2. Suatu mesin turbin gas dasar standar udara (lihat Gambar 5)
beroperasi dengan temperatur udara masuk kompresor
285°K,
efisiensi kompresor 86 %, efisiensi turbin generator gas 88 %
dan efisiensi turbin tenaga 89 %. Rasio tekanan kompresor 12.
Dengan asumsi kalor spesifik yang bervariasi, temperatur
masuk turbin 1400 K dan tekanan udara masuk kompresor
101,3 kPa, hitunglah:
a). Tekanan dan temperatur gas meninggalkan turbin genera-
tor gas.
b). Kerja bersih, kalor masuk dan efisiensi termal siklus dengan
asumsi tidak ada penurunan tekanan selama proses pema-
sukan kalor dan tekanan keluar turbin tenaga 101,3 kPa.
c). Kerja bersih, kalor masuk dan efisiensi termal siklus jika
terdapat 4 % penurunan tekanan dalam ruang bakar dan
tekanan keluar turbin tenaga adalah 1 % di atas tekanan
udara masuk kompresor.

16. Gambar 5 Mesin Turbin Gas Dasar Standar Udara
dimana:
K = kompresor
GT = Generator Turbine = Turbin Generator Gas
PT = Power Turbine = Turbin Tenaga
K
udara
1
Kerja
Bersih
2
Ruang Bakar
3
4
Bahan bakar
GT PT
5

17. Solusi:
Dasar perhitungan 1 mol udara kering
Kompresor:
Efisiensi kompresor, ηK = =
Rasio tekanan kompresor, = 12
Tekanan udara masuk kompresor, p1 =101,3 kPa = 14,7 psia
Temperatur udara masuk kompresor, T1 = 285 K = 513 R
Dari Tabel Gas diperoleh:
Untuk T1 = 513 R: = - 215,4 (Btu/mole) ……interpolasi
pr1 = 1,1615 ……………………..interpolasi
ak,
ik,
w
w
ak,w
k
ik,
η
w
K1
2
p
p






1h

18. 1-2i : Proses kompresi isentropik
pr2 = pr1 = 1,1615 (12) = 13,938
Untuk pr2 = 13,938 didapat: T2,i = 1034 R
= 3463,5 (Btu/lbm.mol)
= - = 3463,5 - (- 215,4)
= 3678,9 (Btu/lbm.mol)
= = = 4277,8 (Btu/lbm.mol)
= - = + = 4277,8 + (- 215,4)
= 4062,4 (Btu/lbm.mol)






1
2
p
p
i2,h
ik,w i2,h 1h
ak,w
k
ik,
η
w
86,0
9,3678
ak,w a2,h 1h a2,h ak,w 1h

19. Untuk = 4062,4 (Btu/lbm.mol) didapat: T2,a = 1163 R
Turbin Generator Gas (GT)
Karena turbin ini menggerakkan kompresor, maka:
= = 4277,8 (Btu/lbm.mol)
ηGT = = = = 4861,1 (Btu/lbm.mol)
= -
Karena temperatur gas masuk turbin, T3 = 1400 K = 2520 R
Untuk T3 = 2520 R didapat: = 15108 (Btu/lbm.mol)
pr3 = 450,9
a2,h
aGT,w
ak,w
iGT,
aGT,
w
w
iGT,w
GT
aGT,
η
w
0,88
4277,8
3hiGT,w
i4,h
3h

20. Sehingga: = - = 15108,5 – 4861,1
= 10247,4 (Btu/lbm.mol)
Untuk = 10247,4 (Btu/lbm.mol) didapat pr4,i = 149,07
3-4i : Proses ekspansi isentropik dalam GT
=
Dengan asumsi tidak ada penurunan tekanan selama proses
pemasukan kalor, maka p2 = p3 = 12 x 14,7 (psia)= 176,4 (psia)
Jadi p4 = 176,4 (psia) x = 58,3 (psia)
a). Tekanan gas meninggalkan turbin generator gas adalah:
p4 = 58,3 (psia).
i4,h 3h iGT,w
i4,h
3
4
p
p
r3
ir4,
p
p
p4 = p3 





r3
ir4,
p
p
450,9
149,07

21. = - = - = 15108,5 – 4277,8
= 10830,7 (Btu/lbm.mol)
Untuk =10830,7 (Btu/lbm.mol) didapat: T4,a = 1996 R
Jadi temperatur gas meningalkan turbin generator gas adalah:
T4,a = 1996 R.
Turbin Tenaga (PT)
Kondisi gas masuk Turbin Tenaga (PT) adalah sama dengan
kondisi gas saat meninggalkan Turbin Generator Gas, shg:
=10830,7 (Btu/lbm.mol) & p4 = 58,3 (psia)
Untuk =10830,7 (Btu/lbm.mol) didapat: pr4,a = 173,17
aGT,w 3h a4,h a4,h 3h aGT,w
a4,h
a4,h
a4,h

22. b). Tekanan gas keluar Turbin Tenaga, p5 = 101,3 kPa = 14,7 psia
4a-5i : Proses ekspansi isentropik pada Turbin Tenaga (PT)
= pr5,i = pr4,a x = 173,17 x = 43,664
Untuk pr5,i = 43,664 didapat: = 6213,2 (Btu/lbm.mol)
Efisiensi Turbin Tenaga, ηPT = sehingga:
= ηPT x = 0,89 x ( - )
= 0,89 (10830,7 – 6213,2) = 4109,6 (Btu/lbm.mol)
Jadi “Kerja Bersih”, = 4109,6 (Btu/lbm.mol)
ir5,
ar4,
p
p
5
4
p
p






4
5
p
p
58,3
14,7
i5,h
iPT,
aPT,
w
w
aPT,w iPT,w a4,h i5,h
aPT,w

23. = - = -
= 10830,7 – 4109,6
= 6721,1 (Btu/lbm.mol)
Untuk = 6721,1 (Btu/lbm.mol) didapat: T5,a = 1472°R
Kalor Masuk, qin = - = 15108,5 - 4062,4
= 11046,1 (Btu/lbm.mol)
Efisiensi Termal Siklus, ηth adalah:
ηth = = = 0,372 = 37,20 %
Jadi Efisiensi Termal Siklus, ηth = 37,20 %
aPT,w a4,h a5,h a5,h a4,h aPT,w
a5,h
3h a2,h
in
aPT,
q
w
11046,1
4109,6

24. c). Terdapat penurunan tekanan sebesar 4 % pada ruang bakar,
sehingga:
p3 = (1 – 0,04) p2 = 0,96 x 176,4 (psia) = 169,344 (psia)
p4 = p3 x pr4,i = 149,07 & pr3 = 450,9
p4 = 169,344 x = 55,99 (psia)
Dengan asumsi tekanan keluar Turbin Tenaga (p5) besarnya 1 %
di atas tekanan udara masuk kompresor, maka:
p5 = (1 + 0,01) x 14,7 (psia) = 14,847 (psia)
4a - 5i : Proses ekspansi isentropik pada Power Turbin (PT)
pr5,i = pr4,a x pr4,a = 173,17








r,3
ir4,
p
p






450,9
149,07






4
5
p
p

25. pr5,i = 173,17 x = 45,92
Untuk pr5,i = 45,92 didapat: = 6355,0 (Btu/lbm.mol)
Efisiensi Turbin Tenaga, ηPT = sehingga:
= ηPT x = 0,89 x ( - )
= 0,89 (10830,7 – 6355,0) = 3983,4 (Btu/lbm.mol)
Jadi “Kerja Bersih”, = 3983,4 (Btu/lbm.mol)
= - = -
= 10830,7 – 3983,4
= 6847,3 (Btu/lbm.mol)






55,99
14,847
i5,h
iPT,
aPT,
w
w
aPT,w iPT,w a4,h i5,h
aPT,w
a4,haPT,w a5,h a5,h a4,h aPT,w

26. Untuk = 6847,3 (Btu/lbm.mol) didapat: T5,a = 1489°R
Kalor Masuk, qin = 11046,1 (Btu/lbm.mol)
Efisiensi Termal Siklus, ηth adalah:
ηth = = = 0,361 = 36,10 %
Jadi Efisiensi Termal Siklus, ηth = 36,10 %
Kesimpulan:
1. Penurunan tekanan pada ruang pembakaran tidak
mempunyai
pengaruh terhadap besarnya “Kalor Masuk”.
2. Penurunan tekanan pada ruang pembakaran akan menurun-
kan “Kerja Bersih” dan “Efisiensi Termal Siklus”.
a5,h
in
aPT,
q
w
11046,1
3983,4

27. Soal Tugas I: “Mesin Konversi Energi II”
Inderalaya, 15 April 2015
Dikumpul : Rabu, 22, April 2015
1. Suatu mesin turbin gas dasar standar udara (lihat Gambar)
beroperasi dengan temperatur udara masuk kompresor 20°C,
efisiensi kompresor 87 %, efisiensi turbin generator gas 89 %
dan efisiensi turbin tenaga 90 %. Rasio tekanan kompresor 13.
Dengan asumsi kalor spesifik yang bervariasi, temperatur
masuk turbin 1177°C dan tekanan udara masuk kompresor 1
atm, hitunglah:
a). Tekanan dan temperatur gas meninggalkan turbin genera-
tor gas.
b). Kerja bersih, kalor masuk dan efisiensi termal siklus
dengan asumsi tidak ada penurunan tekanan selama
proses pemasukan kalor dan tekanan keluar turbin tenaga
1 atm.

28. c). Kerja bersih, kalor masuk dan efisiensi termal siklus jika
terdapat 3 % penurunan tekanan dalam ruang bakar dan
tekanan keluar turbin tenaga adalah 2 % di atas tekanan
udara masuk kompresor.
Gambar: Mesin Turbin Gas Dasar Standar Udara
K
udara
1
Kerja
Bersih
2
Ruang Bakar
3
4
Bahan Bakar
GT PT
5