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.