thermodynamic pembangkit
Post on 30-Jun-2015
431 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MATERI KULIAH : THERMODINAMIKA DASAR
1. TUJUAN MATERI KULIAH
Memberikan bekal materi dasar pembangkitan, khususnya Termodinamika
kepada mahasiswa program studi energi sesuai persyaratan yang diperlukan
untuk memahami sistim pembangkit thermal.
2. POKOK BAHASAN / SUB POKOK BAHASAN
1. Konsep dasar dan sifat Termodinamika.
2. Parameter Termodinamika.
2.1 Suhu.
2.2 Tekanan.
2.3 Rapat Massa dan Volume Spesifik.
2.4 Kalor Spesifik.
2.5 Entalpi.
2.6 Entropi.
2.7 Diagram Moullier.
3. Persamaan Keadaan.
3.1 Hukum Boyle.
3.2 Hukum Boyle – Gay Lussac.
3.3 Persamaan Clapeyron (Hukum Gas Ideal).
4. Konservasi Massa dan Transformasi Energi.
4.1 Konservasi Massa.
4.2 Transfer Energi
5. Bentuk-bentuk Energi.
5.1 Energi Mekanik Potensial.
5.2 Energi Mekanik Kinetik.
5.3 Energi Dalam.
5.4 Kerja (Work).
5.5 Panas (Heat).
5.6 Energi Kimia.
6. Proses.
6.1 Proses Mampu Balik (reversible).
6.2 Proses Tak Mampu Balik (irreversible).
6.3 Proses yang Mengalir.
6.4 Proses Aliran Steady.
7. Proses Ideal.
7.1 Proses Isochoric (volume tetap).
7.2 Proses Isobaric (tekanan konstan).
7.3 Proses Adiabatic.
7.4 Proses Isentropis (entropi tetap).
7.5 Proses Isotherm (suhu tetap).
8. Hukum II Thermodinamika.
9. Siklus Carnot (Carnot Cycle).
10. Siklus Turbin Gas (Brayton Cycle).
11. Siklus Turbin Uap (Rankine Cycle).
3. REFERENSI
a. B.V. Karlekar, 1983, Thermodynamics for Engineers, Prentice Hall,
Inc., Englewood Cliffs, New Jersey.
b. Anonimous, Konsep Termodinamika Dasar Pembangkitan.
c. M. M. El-Wakil, 1992, Instalasi Pembangkit Daya, Erlangga, Jakarta.
d. Stoecker, W.F., dan Jones S.W., 1992. Refrigerasi dan Pengkondisian
Udara, Terj. Supratman. Erlangga, Jakarta.
THERMODINAMIKA DASAR PEMBANGKIT THERMAL
1. Konsep dasar dan Sifat Termodinamika
Thermodinamika merupakan ilmu yang mempelajari masalah-masalah
yang terutama berkaitan dengan besaran-besaran massa dan energi beserta
hubungan diantara keduanya, termasuk di dalamnya adalah hubungan antara
energi panas dan mekanik atau sebaliknya.
Sifat termodinamika merupakan setiap karakteristik atau ciri dari bahan
yang dapat dijajaki secara kuantitatif seperti suhu, tekanan dan rapat massa.
Oleh karena berkisar pada energi maka seluruh sifat-sifat termodinamika-pun
berkaitan pada energi. Keadaan atau kondisi termodinamika sebuah sistem
didefinisikan berdasarkan sifat-sifatnya. Sekali keadaan suatu bahan telah
diketahui, maka semua sifat termodinamikanya dapat ditemukan.
Dalam materi ini sifat-sifat termo yang diutamakan adalah tekanan,
suhu, rapat massa dan volume spesifik, kalor spesifik, entalpi, entropi dan
sifat cair-uap dari suatu keadaan.
2. Parameter termodinamika
2.1 Suhu (t )
Menyatakan keadaan termalnya dan kemampuannya untuk bertukar
energi dengan bahan lain yang bersentuhan dengannya. Jadi suatu
bahan yang bersuhu lebih tinggi akan memberikan energi kepada bahan
lain yang suhunya lebih rendah.
Titik acuan bagi skala celcius adalah titik beku air (0 C) dan titik didih air
(100C). Suhu absolut (T) adalah derajat di atas suhu nol absolut yang
dinyatakan dengan Kelvin : (K); yaitu T = tC + 273. Oleh karena interval
suhu pada kedua skala suhu tersebut identik maka beda suhu Celcius
dinyatakan dengan Kelvin (K).
2.2 Tekanan
Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang mendesak suatu bidang dibagi
dengan luas bidang yang terkena gaya tersebut.
- Tekanan Pengukuran (gauge pressure, Pg)
Adalah tekanan yang diukur di atas tekanan atmosfir suatu tempat (nol
tekanan pengukuran = tekanan atmosfir di tempat tersebut).
- Tekanan absolut (Pabs)
adalah tekanan actual merupakan ukuran tekanan di atas nol (tekanan
yang sebenarnya yang berada di atas nol), nilainya didapatkan dari
penjumlahan antara tekanan hasil pengukuran (Pg) dan tekanan
atmosfir (Patm).
Apabila tekanan didalam bejana lebih rendah dari tekanan atmosfir
maka perbedaan antara tekanan atmosfir dan tekanan absolut disebut
vacuum (hampa),
2.3 Rapat massa dan volume spesifik
Rapat massa () dari suatu fluida adalah massa yang mengisi satu
satuan volume; sebaliknya volume spesifik (v) adalah volume yang diisi
oleh satu satuan massa. Rapat massa dan volume spesifik saling
berkaitan satu sama lain. Rapat massa udara pada tekanan atmosfir
standar dengan suhu 25C mendekati 1,2 kg/m3.
Contoh soal :
Hitung massa udara yang mengisi suatu ruangan berukuran (4 x 6 x 3)m3 bila
volume spesifik udara tersebut 0,83 m3 / kg ?
-penyelesaian :
2.4 Kalor spesifik
Merupakan jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu-
satuan massa bahan tersebut sebesar 1K. Karena besaran ini
dipengaruhi oleh cara proses berlangsung, maka cara kalor
ditambahkan atau dilepaskan harus disebutkan. Dua besaran yang
umum adalah kalor spesifik pada volume tetap (cv) dan kalor spesifik
pada tekanan tetap (cp).
Nilai pendekatan untuk kalor spesifik beberapa bahan sebagai berikut :
cp udara kering = 1,0 kJ/kg.K
cp air = 4,19 kJ/kg.K
cp uap air = 1,88 kJ/kg.K
contoh soal :
Berapa laju kalor yang masuk ke sebuah pemanas air jika 0,4 kg/det air
masuk dengan suhu 82C dan keluar dengan suhu 93 C?
penyelesaian :
Tekanan air yang melewati pemanas dianggap tetap, jadi berlaku harga cp.
Jumlah energi dalam bentuk kalor yang ditambahkan pada setiap kilogram
adalah :
(4,19 kJ/kg.K) (93-82C) = 46,1 kJ / kg
laju aliran kalor yang dimasukkan menjadi :
(0,4 kg/det)(46,1 kJ/kg) = 18,44 kJ/det (kW)
2.5 Entalpi
Definisi tidak dapat dijabarkan secara tepat, namun dari gejala yang
timbul akan dapat membantu pemahaman teori entalpi. Ketika suatu
proses bekerja pada tekanan konstan dengan mengabaikan kerja yang
dilakukan terhadap bahan, maka jumlah kalor yang diberikan atau
dilepaskan per-satuan massa adalah perubahan entalpi dari bahan
tersebut. Sifat entalpi dapat juga menyatakan laju perpindahan kalor
untuk proses yang padanya terjadi perubahan fasa yaitu penguapan dan
pengembunan.
contoh soal :
Laju aliran air sebesar 0,06 kg/detik memasuki ketel dengan suhu 90C dan
entalpi 376,9 kJ/kg. Air keluar dari ketel berbentuk uap dengan suhu 100C.
Berapa laju kalor yang diberikan oleh ketel tersebut?
penyelesaian :
Perubahan entalpi pada proses tekanan konstan adalah :
h = 2676 – 377 kJ/kg = 2299 kJ/kg
laju perpindahan kalor yang mengubah air menjadi uap adalah :
(0,06 kg/det)(2299 kJ/kg) = 137,9 kW
2.6 Entropi
Merupakan derajat ketidakaturan atau sering disebut juga derajat
keacakan suatu molekul pada bahan tertentu. Jika suatu gas atau uap
ditekan atau diekspansikan tanpa gesekan dan tanpa penambahan atau
pelepasan kalor selama proses berlangsung (adiabatis) maka entropi
bahan tersebut tetap.
Dalam proses tersebut diatas, perubahan entalpi menyatakan jumlah
kerja per-satuan massa yang diperlukan oleh proses penekanan atau
yang dilepaskan oleh proses ekspansi tersebut.
2.7 Diagram Moullier
Hubungan antara entalpi dan entropy suatu fluida pada kondisi dan
keadaan thermodinamika tertentu dapat dilihat dari diagram h – s
(entalpi – entropy). Diagram h – s ini sering juga disebut sebagai
diagram moullier.
Moullier Diagram sering digunakan sebagai patokan dalam mencari
keadaan tertentu dari suatu fluida yang mengalami perubahan energi
dalam. Misalnya untuk mengetahui entalpi fluida berfasa uap pada
temperatur tertentu dan pada tekanan tertentu. Dengan menggunakan
diagram h – s beberapa hasil perhitungan akan bisa ditentukan secara
grafis. Semua perubahan keadaan yang penting dan keadaan untuk p, t,
v, x harga-harganya bisa dibaca dari diagram tersebut.
Besarnya panas jatuh dari proses isentrop atau politrop ditentukan
dengan menggunakan diagram h – s. Perubahan keadaan uap yang
melalui saluran dimana luas penampangnya bisa diatur memakai katup,
dapat diketahui dari diagram ini. Garis x = 1 memisahkan daerah uap
panas lanjut dengan daerah uap basah.
Dalam daerah uap basah garis temperatur tidak ada, karena temperatur
uap basah antara x = 0 sampai x = 1 adalah selalu tetap konstan,
tergantung kepada tekanan yang dipunyai temperatur didih air, yang
diambil dari table uap.
3. Persamaan Keadaan
3.1 Hukum Boyle
Pada suhu tetap, hasil perkalian antara tekanan dan volume adalah
konstan.
3.2 Hukum Boyle – Gay Lussac
Pada suhu yang tidak tetap, hasil perkalian tekanan dan volume
dibagi suhu absolut adalah konstan.
3.3 Persamaan Clapeyron (hukum gas ideal)
Model idealisasi dari perilaku gas yang berhubungan dengan
tekanan, suhu dan volume spesifik suatu gas ideal memenuhi :
atau
dimana : p = tekanan absolut, Pa
v = volume spesifik (m3/kg)
T = Suhu Absolut, K
R = tetapan gas= 287 J/kg.K untuk udara
= 462 J/kg.K untuk air
Untuk sejumlah gas dalam ruangan berlaku:
dimana : G = Berat seluruh gas dalam ruangan.
V = Volume ruang = G.v
Persamaan gas ideal ini berlaku untuk udara kering dan uap air dengan
derajat panas lanjut yang tinggi sekali.
contoh soal :
Berapa rapat massa udara kering pada tekanan 101 kPa dan suhu 25C?
Penyelesaian : rapat massa adalah kebalikan dari harga volume spesifik v,
jadi :
= 1,18 kg/m3
4. Konservasi massa dan Transformasi energi
4.1 Konservasi massa
Merupakan konsep mendasar yang tidak mudah didefinisikan. Definisi
massa sendiri merujuk pada Hukum Newton :
Gaya = m.a = ,
Dengan : m = massa
a = percepatan, m/dt2
V = kecepatan, m/dt
t = waktu, detik
Prinsip konservasi massa menyatakan bahwa dalam menganalisa suatu
proses, kita perlu mengacu pada hukum pertama Termodinamika, yaitu :
“ Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, dan hanya bisa
diubah bentuk saja dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain.”
Ini artinya massa dapat disimpan dalam suatu sistem atau dipindah-
pindahkan diantara sistem dan lingkungannya, dengan disertai
penjelasan prosedur analisis.
Pada gambar di bawah dimana hubungan antara perpindahan massa
dari dan ke dalam sistem dapat diterangkan, secara ringkas dapat
dibaca bahwa laju perubahan massa setiap saat adalah :
Bila laju perubahan massa di dalam sistem adalah nol ;
dan
sehingga akan kita dapatkan aliran-mantap (steady flow).
4.2 Transfer Energi
Energi panas yang diberikan kepada suatu benda, maka akan dipakai
untuk mengubah energi dalam dan melakukan kerja.
dq = du + Adl ;
dimana :
dq = perubahan energi panas (kkal/kg)
du = perubahan energi dalam (kkal/kg)
dl = perubahan kerja (kgm)
A = faktor konversi dari kkal ke kgm
= 1/427 (kkal/kgm)
Apabila dl digambarkan didalam silinder tertutup maka berarti dl sama
dengan perubahan tekanan dan volume atau dl = pdv
Sehingga persamaan diatas dapat ditulis menjadi :
dq = du + Apdv
Apabila volume tidak berubah, maka Apdv = 0, panas yang diberikan
hanya dipakai untuk merubah energi dalam du, yang ditandai dengan
perubahan suhu du = Cv dt, dimana Cv adalah kapasitas panas pada volume
tetap.
Jadi persamaan diatas dapat ditulis menjadi :
dq = Cv dt + Apdv
Pernyataan diatas dapat juga diungkapkan dalam persamaan energi aliran
mantap dimana tidak terjadi perubahan energi dalam sistem terhadap waktu,
sehingga :
; dengan :
= laju aliran massa, kg / det
h = entalpi, J/kg
V = kecepatan, m/det
z = ketinggian, m
g = percepatan gravitasi, 9,8 m/det2
q = laju aliran energi dalam bentuk kalor, W
W = laju aliran energi dalam bentuk kerja, W
contoh soal :
Air mengalir dengan laju tetap 1,2 kg/det, didinginkan dari 10C menjadi 4C,
akan digunakan untuk mendinginkan koil pada system pengkondisian udara.
Berapa laju aliran kalor yang dibutuhkan ?
penyelesaian :
Dari table ‘sifat-sifat cairan dan uap jenuh’, untuk suhu 4C, h = 16,8 kJ/kg
dan untuk 10C, h = 41,99 kJ/kg. Maka
q = (h2 – h1) = (1,2 kg/det)(16,8 – 41,99) = -30,23 kW
5. Bentuk-bentuk Energi.
5.1 Energi mekanik potensial.
Merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda yang memiliki
ketinggian dari bidang horizontal tertentu.
5.2 Energi mekanik kinetik.
Merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda yang memiliki
kecepatan.
5.3 Energi dalam.
adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda oleh karena gerakan
molekul/atomnya.
5.4 Kerja (work).
adalah bentuk lain dari energi mekanik. Kerja merupakan perkalian
antara kekuatan (Force) dan jarak tempuh (s).
5.5Panas (heat).
adalah bentuk lain pula dari energi. Panas didefinisikan sebagai
energi yang mengalir dari suatu tempat ke tempat lain karena
adanya perbedaan suhu.
5.6 Energi kimia.
adalah energi tersimpan yang akan dibebaskan atau dilepas
selama reaksi kimia, seperti pada saat pembakaran, reaksi nuklir
dsb.
6. Proses
Definisi Proses adalah suatu perubahan kondisi dari kondisi
kesetimbangan yang satu ke kondisi kesetimbangan yang lain.
Pada setiap proses selalu terjadi penyerapan dan pengeluaran energi.
Beberapa jenis proses ;
6.1 Proses mampu balik (reversible)
Adalah proses dimana kondisi awal dapat dicapai kembali dengan
menggunakan lintasan yang sama, dan energi yang sudah
ditransformasikan dapat dikembalikan dalam bentuk dan besaran yang
sama dengan kondisi awal.
6.2 Proses tak mampu balik (irreversible)
Adalah proses yang kondisi awalnya tidak dapat dicapai dengan cara
dan lintasan yang sama, serta energi yang sudah ditransformasikan
tidak dapat dikembalikan lagi. Pada umumnya, hampir semua proses
adalah irreversible.
6.3 Proses yang tidak mengalir
Adalah proses yang terjadi didalam container atau ruangan dimana
fluidanya tidak mengalir masuk atau keluar dari sistem selama proses
berlangsung.
Contohnya : uap yang berexpansi di dalam silinder dengan valve yang
tertutup.
6.4 Proses aliran steady
Adalah proses dimana fluida mengalir secara kontinu melalui suatu
tempat dengan aliran yang tetap (steady).
7. Proses Ideal
Meliputi proses-proses volume tetap (isochoric), tekanan tetap
(isobaric), suhu tetap (isotherm) dan entropi tetap (isentropis).
7.1 Proses Isochoric (volume tetap)
Pada proses isochoric, perbandingan tekanan sebelum dan sesudah
proses, berbanding lurus dengan temperatur absolutnya. Proses ini bila
digambarkan kedalam diagram p-v, akan terlihat sebagai garis lurus
sejajar dengan sumbu p.
Oleh karena v tidak berubah maka:
Perubahan energi dalam :
Perubahan entalpi :
Perubahan entropy :
dimana Cv adalah kapasitas panas pada proses volume tetap.
7.2 Proses Isobaric (tekanan konstan)
Pada proses isobaric, volume gas bertambah seiring dengan naiknya
suhu. Pada diagram p-v, proses ini digambarkan sebagai garis lurus
mendatar sejajar sumbu v.
Oleh karena tekanan konstan, persamaan proses isobaric adalah sbb:
Perubahan energi dalam selama proses tersebut:
7.3 Proses Adiabatic
Adiabatik berarti tidak ada kalor yang dipindahkan ; jadi q=0. Proses
adiabatic ini dapat terjadi jika pada pembatas system diberi sekat
penahan aliran kalor. Tetapi jikapun system tidak disekat, asalkan laju
energi total di dalam system jauh lebih besar dibandingkan denga energi
yang dimasukkan atau yang dikeluarkan ke lingkungan dalam bentuk
kalor, maka proses dapat dikatakan adiabatic.
7.4 Proses Isentropis (entropi tetap)
Jika proses berlangsung dalam kondisi adiabatic dan tanpa gesekan,
maka boleh dikatakan proses berlangsung pada entropy tetap.
contoh soal :
Tentukan daya yang dibutuhkan untuk menekan 1,5 kg/detik uap air jenuh
dari tekanan 34 kPa hingga 150 kPa.
penyelesaian :
Dari table uap, dalam keadaan jenuh dengan p1 = 34 kPa,
h1 = 2630 kJ / kg dan s1 = 7,7 kJ / kg.K
Pada p2 = 150 kPa dan s2 = s1 ; h2 = 2930 kJ/kg
Jadi W = (1,5 kg / det)(2630-2930 kJ/kg) = -450 kW
7.5 Proses Isotherm (suhu tetap)
Pada proses Isothermis ini terjadi kenaikan tekanan seiring dengan
penurunan volume. Karena kenaikan tekanan berlangsung pada
temperatur tetap, maka suhu dijaga agar konstan dengan jalan
melakukan pendinginan atau pemanasan system.Persamaan gas ideal
dalam hal ini untuk temperatur T= konstan, menjadi :
p.v = RT = konstan
untuk keadaan 1 dan 2 dapatlah ditulis hubungan :
p1.v1 = p2.v2
atau
8. Hukum II Termodinamika
Diagram p-v isothermal
Hukum II Termodinamika menyatakan bahwa :
Untuk mengubah panas menjadi kerja diperlukan perbedaan suhu.
Adalah tidak mungkin untuk mesin penggerak yang bergerak
sendiri, tanpa dibantu dari luar, dapat membawa panas dari suhu
rendah ke suhu tinggi.
Di bagian awal telah kita bicarakan bahwa perubahan energi panas
menjadi kerja, merupakan proses yang berjalan satu arah, artinya
setelah kerja diperoleh (misalnya piston yang ditekan) akan berhennti
sampai di situ.
Akan tetapi sesungguhnya, mesin-mesin penggerak harus berjalan
kontinue. Karena itu piston harus dikembalikan lagi ke posisi semula
untuk membuat kerja lagi. Dari gambar dibawah, piston harus
melakukan kerja kompresi dari 2-n-1, yang memerlukan sejumlah kerja
l2. Jika kerja expansi l, lebih besar dari kerja kompresi l2 maka kedua
proses tersebut menghasilkan kerja l0 yang besarnya sama dengan luas
1-m-2-n-1. Proses tertutup 1-m-2-n-1 ini disebut siklus.
9. Siklus Carnot (Carnot cycle)
Nicolas Leonard Carnot merupakan peletak dasar-dasar hukum kedua
Termodinamika. Dia memperkenalkan konsep kemampubalikan dan
siklus, disamping kemudian mengenalkan dalil bahwa oleh karena
semua siklus harus membuang kalor keluar system, maka effisiensi
tidak pernah dapat mencapai 100 persen. Daur Carnot dikenal terjadi
pada mesin-mesin kalor. Mesin Carnot menerima energi kalor pada
suhu tinggi, mengubah sebagian menjadi kerja dan kemudian
mengeluarkan sisanya sebagai kalor pada suhu yang lebih rendah.
Siklus Carnot sendiri terbentuk dari empat proses :
1 – 2 = kompresi adiabatic
2 – 3 = penambahan kalor isothermal
3 – 4 = ekspansi adiabatic
4 – 1 = pembuangan kalor isothermal
Daur Carnot tersebut secara termodinamika bersifat reversible (mampu
balik), oleh karena itu proses 1 – 2 dan 3 – 4 bersifat isentropic.
Effisiensi thermal siklus Carnot ini dapat dihitung dengan mudah,
dengan mengingat bahwa perubahan entropy sewaktu penambahan
kalor sama dengan pada waktu pembuangan kalor. Jadi untuk semua
siklus daya, kerja netto dan effisiensi termal didefinisikan oleh :
QA = TH (S3 - S2)
QR = TL(S1 – S4)
Atau QR = TL (S4 – S1) = TL ( S3 – S2)
Karena siklus Carnot bersifat mampu balik secara ekstern maupun
intern, maka perpindahan kalor antara sumber kalor dan fluida kerja
berlangsung secara hipotesis, melalui beda suhu yang besarnya nol.
Jadi TH = T2 ; demikian pula TL = T1 .
Untuk semua siklus daya, kerja netto dan effisiensi termal didefinisikan
oleh :
Wnet = QA - QR
th = = ; Jadi Effisiensi termal siklus Carnot
c adalah
c =
Di dalam diagram T-S pemberian panas ditunjukkan sebagai garis lurus
2-3 dan jumlah panas yang diterima q1, sebesar
sedangkan panas yang dilepaskan q2 adalah sebesar
Efisiensi thermal proses Carnot menjadi :
jadi efisiensi thermal dari siklus Carnot yang paling baik adalah bila suhu
TL serendah-rendahnya dan TH setinggi-tingginya Atau dengan kata lain,
siklus nyata akan mempunyai effisiensi makin tinggi apabila siklus
menerima kalor pada suhu yang makin tinggi dan membuang kalor pada
suhu yang makin rendah.
Dari uraian diatas dapatlah disimpulkan bahwa Hukum I Termodinamika
menjelaskan tentang kekekalan energi, sementara Hukum II
Termodinamika menjelaskan tentang arah transformasi energi.
Contoh soal :
Udara berekspansi di dalam gas turbine dari tekanan 10 atm dan suhu
1000C menjadi 1 atm. Suhu keluar adalah 400C. Andaikan kalor spesifik
konstan pada 1,0 kJ/kg.K, hitunglah kerja Turbine dan effisiensi adiabatic
turbine.
Penyelesaian :
WT = h1 – h2 = cp (T1 – T2) = 1,0 kJ/kg.K (1000C - 400C)
= 600 kJ/kg
merujuk pada table 1-3 dan gambar 1-9a….(instalasi hal.23)
atau
Jadi T2s = 500C
T = (untuk cp konstan)
= = 83%
10. Siklus Turbin Gas (Brayton Cycle)
Gas panas yang keluar dari pembakar atau reactor berpendingin-gas
dapat dipakai langsung sebagai fluida kerja. Caranya ialah dengan
membuat gas-pansa itu berekspansi melaui turbin gas atau
memanfaatkannya secara tak langsung untuk memanaskan fluida kedua
yang berfungsi sebagai fluida kerja. Untuk siklus langsung maupun tak
langsung ini kita juga bisa dapatkan dari siklus terbuka maupun tertutup.
Berikut bagan siklus turbin gas :
Proses-proses yang terjadi pada siklus Brayton;
Proses kompresi udara adiabatik 1-2
Proses pemberian panas pada tekanan konstan 2-3
Proses ekspansi adiabatik 3-4
Proses penyearah panas pada tekanan konstan 4-1
Effisiensi thermal;
tekanan konstan
tekanan konstan
11. Siklus Turbin Uap (Rankine Cycle)
Pada Turbin Uap, berlangsung konversi energi panas dari bahan bakar
organik maupun nuklir menjadi energi mekanik dan dikonversikan lagi
menjadi energi listrik.
Berikut ini dapat kita lihat gambaran sederhana siklus yang terjadi pada
PLTU.
Kondisi awal fluida kerja (air) dimulai pada kondisi cair (titik 3), yang
pada suhu tertentu dikompresi dengan sebuah pompa A mencapai titik 4
dan seterusnya dialirkan ke Boiler B melalui Economiser B’.
Di dalam Boiler air dipanaskan dengan tekanan konstan (proses 4-5)
sampai mencapai titik didih (titik 5) dan proses penguapan terjadi
sampai menjadi uap jenuh kering (titik 6). Selanjutnya uap jenuh kering
tersebut dipanaskan lanjut (proses 6-1), didalam superheater.
Uap panas lanjut ini kemudian dialirkan ke turbin D melalui pipa dimana
didalamnya berlangsung proses ekspansi adiabatik dan menghasilkan
kerja untuk memutar poros (proses 1-2).
Untuk menghasilkan kerja yang lebih besar, maka tekanan keluar turbin
harus serendah-rendahnya. Untuk maksud ini maka uap keluar turbin
harus diembunkan (volumenya mengecil) didalam kondensor E (proses
2-3) dimana didalamnya terdapat tekanan yang rendah (vacuum). Untuk
terjadinya proses pengembunan maka panas yang terkandung didalam
uap harus dikeluarkan. Untuk itu diperlukan aliran air pendingin dengan
jumlah yang besar.
Proses pengembunan ini berlangsung pada suhu dan tekanan yang
konstan.
Siklus diatas dikenal sebagai siklus Rankine.
Effisiensi thermal Siklus Rankine :
; dimana :
q1 : panas yang diberikan sepanjang proses 4-5-6-1.
ini sama dengan entalpi hasil selisih antara i1 dan i3.
q2 : panas yang dibuang/dilepaskan sepanjang proses kondensasi 2-
3.
Ini sama dengan selisih entalpi uap keluar turbin 2 dengan
entalpi air masuk economiser 3.
Sehingga effiensi thermal Siklus Rankine dapat dinyatakan dengan :
=
%
Jadi, effisiensi thermal dapat ditulis sebagai kerja (panas berguna) yang
diperoleh di dalam turbin dibagi dengan panas yang masuk ke boiler.
Dari gambar diatas, panas yang diberikan merupakan luas yang dibatasi
garis 3-4-5-6-1-2’-3’-3, sedangkan panas yang dilepas adalah luasan
bidang yang dibatasi garis 3-2-2’-3’-3. Jadi panas berguna yang diubah
menjadi kerja untuk memutar poros turbin adalah luasan yang dibatasi
oleh garis 3-4-5-6-1-2-3.
top related