Mechanical Energy & Efficiency Lecture slides by: Yosua Heru Irawan

5–3 ■ MECHANICAL ENERGY AND EFFICIENCY Mechanical energy: Bentuk energi yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanik sepenuhnya dan langsung oleh perangkat mekanis ideal seperti turbin yang ideal. Mechanical energy of a flowing fluid per unit mass: Flow energy + kinetic energy + potential energy Mechanical energy change: Energi mekanik suatu fluida tidak berubah selama aliran jika tekanan, densitas, kecepatan, dan elevasinya tetap konstan. Dengan tidak adanya irreversible losses, perubahan energi mekanik mewakili kerja mekanis yang dipasok ke fluida (jika emech > 0) atau diekstrak dari fluida (jika emech < 0).

Energi mekanik adalah konsep yang berguna untuk aliran yang tidak melibatkan perpindahan panas atau konversi energi yang signifikan, seperti aliran bensin dari tangki bawah tanah ke tangka mobil.

Energi mekanik diilustrasikan oleh turbin hidraulik ideal yang dipasangkan dengan generator yang ideal. Dengan tidak adanya ireversibel losses, daya maksimum yang dihasilkan sebanding dengan perubahan elevasi permukaan air dari hulu ke reservoir hilir atau (b) penurunan tekanan air dari upstream ke downstream dari turbin.

The available mechanical energy of water at the bottom of a container is equal to the avaiable mechanical energy at any depth including the free surface of the container.

Mechanical efficiency of a device or process Shaft work: Pemindahan energi mekanik biasanya dilakukan oleh poros berputar, dan dengan demikian kerja mekanik (mechanical work) sering disebut sebagai kerja poros (shaft work). Pompa / fan menerima kerja poros (biasanya dari motor listrik) dan mentransfernya ke fluida sebagai energi mekanik (mengurangi kerugian gesekan). A turbine mengubah energi mekanik (mechanical energy) dari fluida menjadi kerja poros (shaft work). Mechanical efficiency of a device or process Efektivitas proses konversi antara kerja mekanis yang dipasok atau diekstrak dan energi mekanik fluida dinyatakan oleh efisiensi pompa dan efisiensi turbin, u = usefull e = extracted

The mechanical efficiency of a fan is the ratio of the kinetic energy of air at the fan exit to the mechanical power input.

Motor efficiency Generator efficiency Pump-Motor overall efficiency Turbine-Generator overall efficiency: The overall efficiency of a turbine–generator is the product of the efficiency of the turbine and the efficiency of the generator, and represents the fraction of the mechanical energy of the fluid converted to electric energy.

The efficiencies defined range between 0 and 100%. 0% corresponds to the conversion of the entire mechanical or electric energy input to thermal energy, and the device in this case functions like a resistance heater. 100% corresponds to the case of perfect conversion with no friction or other irreversibilities, and thus no conversion of mechanical or electric energy to thermal energy (no losses). For systems that involve only mechanical forms of energy and its transfer as shaft work, the conservation of energy is Emech, loss : The conversion of mechanical energy to thermal energy due to irreversibilities such as friction. Banyak masalah aliran fluida hanya melibatkan bentuk-bentuk energi mekanis, dan masalah-masalah seperti itu mudah diselesaikan dengan menggunakan keseimbangan energi mekanik..

Example 5-3 Air di di dalam sebuah danau digunakan untuk membangkitkan listrik dengan cara memasang hydraulic turbines-generator. Diketahui perbedaan elevasinya adalah 50 m, laju aliran massa 5000 kg/s. jika daya listrik yang dibangkitkan 1862 kW dan efisiensi generator 95%, hitunglah: Efisiensi keseluruhan dari turbines-generator Efisiensi mekanik dari turbines Daya poros yang dipasok dari turbines ke generator Density air = 1000 kg/m3

Melakukan analisis keseimbangan energi mekanik pada kasus (dari posisi 1 dan posisi 2. Sehingga, perubahan energi mekanik air per satuan massa adalah: Menghitung laju energi mekanik air yang dipasok ke turbines: Menghitung efisiensi keseluruhan turbines-generator:

Menghitung efisiensi mekanik turbines: Daya poros dapat dihitung dari efisiensi turbines:

Coba Kerjakan: Sebuah sungai mengalir ke sebuah danau dengan kecepatan rata-rata 4 m/s, laju aliran volume 500 m3/s, permukaan aliran sungai 70 m diatas permukaan danau. Hitung energi mekanik per satuan massa dan potensi daya yang dapat dibangkitkan dari aliran sungai tersebut. Density air = 1000 kg/m3

Cara penyelesaian: Hitung energi mekanik per satuan massa yang ada Cari laju aliran massa Hitung potensi daya yg dapat dibangkitkan

Coba kerjakan lagi: Air dipompa dari danau ke sebuah tangki yang terletak 18 m diatas danau dengan laju aliran volume 70 L/s, daya listrik yang dibutuhkan untuk menaikan air tersebut 20,4 kW. Jika kerugian gesekan pada pipa dan kerugian energi kinetic diabaikan, hitunglah: Efisiensi keseluruhan pompa-motor Perbedaan tekanan diantara inlet dan exit pompa