Sulistiyo Wibowo (k2310088) Pendidikan Fisika FKIP UNS BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah
Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa re kayasa teknologi. Selain itu energi di
alam
semesta
bersifat
kekal,
tidak
dapat
dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi t erjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya hubungannya dengan hukum – hukum – hukum hukum dasar pada termodinamika.
Gambar 1.1. Komponen komponen sistem pembangkit tenaga uap sederhana Sumber : Moran,Michael j,2004 Sistem pembangkit tenaga uap dibagi menjadi 4 subsistem. Dimana inti dari sistem ini adalah perubahan dari panas ke kerja, yang terletak pada subsistem A.
1
2
Sistem pembangkit daya tenaga uap merupakan salah satu mesin kalor dengan sistem pembakaran luar. Pembakaran dilakukan di luar mesin untuk menghasilkan energi panas yang kemudian ditransfer ke uap. Energi input tersebut kemudian sebagian diubah menjadi kerja oleh turbin dan sebagian lagi dilepas ke lingkungan yang memiliki temperatur yang lebih rendah. Secara skematik mesin kalor dapat dilihat pada gambar 1.2
Daer Daerah ah bert bertem em erat eratur ur tin tin
i
Daerah bertemperatur rendah
Gambar 1.2. Skema Mesin Kalor Sumber : YA Cengel dan MA Boles, 2005 Siklus Carnot merupakan siklus yang paling efisien yang beroperasi diantara dua batas temperatur. Penerapan siklus Carnot untuk sistem tenaga uap dan diagram hubungan T-s dapat dilihat pada gambar 1.3. Proses-proses dari siklus tenaga uap Carnot adalah : 1-2 : Kompresi secara isentropik (s=konstan) pada pompa. 2-3 : Pemasukan kalor secara isotermis (T=konstan) pada boiler. 3-4 : Ekspansi secara isentropik (s=konstan) pada turbin. 4-1 : Proses pembuangan kalor secara isotermis (T=konstan) pada Kondenser.
3
Gambar 1.3. Siklus Tenaga Uap Carnot Sumber : YA Cengel dan MA Boles, 2005 Meskipun siklus Carnot merupakan siklus yang paling efisien, akan tetapi kurang cocok untuk diterapkan pada sistem tenaga uap. Beberapa hal yang membatasi penerapan siklus Carnot pada sistem tenaga te naga uap adalah: 1. Proses pemasukan dan pembuangan kalor yang dilakukan secara isothermal hanya mudah dilakukan ketika berada pada daerah perubahan fase cair-uap. Pada kenyataannya daerah perubahan fase cair-uap sangat terbatas, sehingga membatasi daerah kerja sistem tenaga uap apabila menggunakan siklus Carnot. Selain dari itu keterbatasan temperatur maksimum juga akan membatasi efisiensi termal dari siklus Carnot. 2. Proses kompresi dan ekspansi isentropik pada Pompa dan Turbin dilakukan pada kondisi uap campuran (uap basah). Kandungan uap pada liquid tentunya kurang baik bagi kerja pompa, sebaliknya adanya kandungan cairan kurang baik juga untuk kerja turbin. Kekurangan-kekurangan tersebut yang mengakibatkan siklus Carnot menjadi kurang realistik atau tidak dapat diterapkan dalam sistem tenaga uap Beberapa kesulitan yang terkait dengan permasalahan teknis dari siklus Carnot dapat dipecahkan dengan merubah beberapa proses dan juga daerah operasional dari sistem tenaga uap. Siklus Rankine merupakan solusi dari keterbatasan siklus Carnot untuk diterapkan pada sistem tenaga uap
4
Siklus Rankine kadang-kadang dikenal sebagai suatu Daur Carnot praktis ketika suatu turbin efisien digunakan. Perbedaan yang utama adalah bahwa suatu pompa digunakan untuk memberi tekanan cairan sebagai pengganti gas. Ini memerlukan sekitar 100 kali lebih sedikit energi dibanding yang memampatkan suatu gas di dalam suatu penekan ( seperti di Daur Carnot). Siklus Rankine adalah siklus pengubahan panas menjadi kerja. Panas disuplai dari luar menuju siklus aliran tertutup dan biasanya menggunakan air sebagai fluida kerja (fluida yang dipanaskan / didinginkan). Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine. Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap yang secara umum digunakan di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Sumber panas untuk siklus Rankine dapat berasal dari batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, bio masa dan panas matahari. B. Identifikasi masalah
Berdasarkan latar belakang, dapat diidentifikasikan masalah-masalah sebagai berikut 1.
Siklus Rankine adalah siklus adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja.
2.
Sistem tenaga uap sederhana siklus Rankine terdiri atas empat komponen yakni Pompa, Boiler, Turbin dan Kondenser.
3.
Tekanan pada Boiler dan Kondenser berpengaruh terhadap s ikus Rankine.
4.
Ireversibilitas dan Rugi terjadi pada pompa dan turbin.
5
C. Pembatasan Masalah
Dalam seminar ini, masalah dibatasi sebagai berikut: 1.
Siklus Rankine dan proses terjadinya.
2.
Evaluasi kerja utama dan perpindahan kalor dalam siklus Rankine.
3.
Pengaruh tekanan boiler dan Kondenser terhadap siklus Rankine.
4.
Ireversibilitas dan rugi utama. D. Permasalahan
Berdasarkan
identifikasi
dan
pembatasan
masalah,
maka
dapat
dirumuskan masalah sebagai berikut: 1.
Apakah siklus Rankine dan bagaimana Proses terjadinya siklus tersebut ?
2.
Bagaimanakah
Evaluasi kerja utama dan perpindahan kalor dalam siklus
Rankine ? 3.
Bagaimana Pengaruh tekanan boiler dan Kondenser terhadap siklus Rankine ?
4.
Bagaimana Ireversibilitas dan Rugi utama pada siklus si klus Rankine ?
E. Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai dalam seminar fisika ini adalah 1.
Menjelaskan siklus Rankine dan bagaimana proses terjadinya.
2.
Menjelaskan Evaluasi kerja utama dan perpindahan kalor dalam siklus Rankine.
3.
Menjelaskan Pengaruh tekanan boiler dan Kondenser terhadap siklus Rankine.
4.
Menjelaskan Ireversibilitas dan Rugi utama pada siklus s iklus Rankine.
6
F. Manfaat
Dengan adanya seminar ini, diharapkan dapat memberikan manfaat: 1.
Menambah pengetahuan kepada mahasiswa tentang siklus Rankine dalam sistem pembangkit tenaga uap.
2.
Mengetahui Evaluasi kerja utama dan perpindahan kalor dalam siklus Rankine.
3.
Memahami Pengaruh tekanan boiler dan Kondenser terhadap siklus Rankine.
4.
Mengetahui Ireversibilitas dan Rugi utama pada siklus Rankine.
7
BAB II PEMBAHASAN A. Siklus Rankine 1. Pengertian Siklus Rankine
Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. menjadi kerja. Panas Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, ilmuwan Skotlandia, William William John Maqcuorn Rankine. Siklus Rankine adalah model operasi mesin operasi mesin uap panas uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit di pembangkit listrik. Sumber listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu adalah batu bara, gas bara, gas alam, minyak alam, minyak bumi, nuklir, bumi, nuklir, dan dan panas panas matahari. Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 oC (batas ketahanan stainless steel) dan steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar 42%. Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah. Sistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu: 1. Pompa 2. Boiler 3. Turbin 4. Kondenser
8
Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic,dengan kata lain proses ini tidak bolak balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkan menyebabkan erosi dan korosi, dan korosi, mengurangi mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi. Efisiensi
termodinamika
bisa
didapatkan
dengan
meningkatkan
temperatur input dari siklus. Terdapat beberapa cara dalam meningkatkan efisiensi siklus Rankine. Siklus Rankine dengan pemanasan ulang, dalam siklus ini dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi, Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua, yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin. Siklus Rankine regeneratif regeneratif
Konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yang membedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperature, hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer. Siklus Rankine Organik
Siklus Rankine Organik menggunakan fluida organik seperti n -pentana atau toluena menggantikan air dan uap. Penggunaan kedua jenis fluida tersebut akan mengurangi suplai panas yang dibutuhkan karena rendahnya titik didih dari kedua jenis fluida tersebut sehingga energi sehingga energi matahari sudah cukup untuk mengubah
9
fase fluida tersebut. Meski efisiensi Carnot akan berkurang, namun pengumpulan panas yang dilakukan pada temperatur rendah akan mengurangi banyak biaya operasional. Siklus Rankine sesungguhnya tidak membatasi fluida jenis apa yang digunakan karena pada dasarnya siklus Rankine adalah mesin kalor sehingga efisiensinya dihitung berdasarkan efisiensi Carnot. Konsepnya tidak boleh dipisahkan dengan siklus termodinamika
2. Proses Siklus Rankine
Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk siklus tenaga uap. Seperti halnya pada siklus Brayton, pada siklus Rankine juga terdapat proses kompresi isentropik, penambahan panas isobarik, ekspansi isentropik, dan pelepasan panas isobarik. Perbedaan antar keduanya keduanya terletak pada fluida kerja yang digunakan, Siklus Rankine fluida kerjanya adalah dua fase fluida, yaitu cair (liquid) dan uap (vapor), sedangkan siklus Brayton merupakan siklus tenaga gas. Pada siklus tenaga uap Rankine, fluida yang umum digunakan adalah air, sedangkan fluida kerja lainnya adalah potassium, sodium, rubidium, ammonia dan senyawa karbon aromatik. Merkuri juga pernah digunakan sebagai fluida kerja siklus Rankine, hanya saja harganya sangat mahal dan berbahaya
Gambar 2.1. Skema Peralatan pada Siklus Rankine Sumber : http://montaraventures.com
10
Proses 1-2 : Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan. Proses 2-3 : Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air berubah fase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa
putaran
turbin.
Proses
ini
menyebabkan
penurunan
temperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir kondensasi titik air mulai terjadi. Proses 4-1: Uap basah memasuki kondenser kondenser dan didinginkan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2) Besarnya kerja yang dibutuhkan pompa, panas yang diberikan boiler, kerja yang dihasilkan turbin dan panas yang dibuang pada Kondenser dapat diperhitungkan dengan bantuan tabel Enthalpy-entropy air-uap air.
Gambar 2.2. Contoh T-s diagram Siklus Rankine
11
SIKLUS RANKIE IDEAL
Jika fluida kerja mengalir melalui berbagai komponen dari sebuah siklus tenaga uap sederhana tanpa ireversibilitas, penurunan tekanan secara fraksional tidak akan terjadi pada boiler dan Kondenser, fluida kerja mengalir melalui komponen komponen ini pada tekanan konstan. Selain itu dengan tidak adanya ireversibilitas dan perpindahan kalor dengan lingkungan sekitar, proses yang terjadi melalui turbin dan pompa adalah isentropic (s=konstan), maka siklus ini disebut siklus Rankine ideal. Mengacu pada gambar dibawah ini , terlihat fluida kerja melewati urutan proses yang reversible secara internal sebagai berikut:
Gambar 2.3. Diagram temperatur-entropi untuk siklus Rankine ideal Sumber : Moran,Michael j, 2004 proses 1-2 : Ekspansi isentropik (s = konstan) dari fluida kerja melalui turbin dan uap jenuh jenuh pada kondisi kondisi 1 hingga mencapai tekanan kondenser. proses 2-3 : Perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui kondenser dengan cairan jenuh pada kondisi 3. proses 3-4 : Kompresi isentropic (s=konstan) dalam dala m pompa menuju ke kondisi 4 dalam daerah hasil kompresi. proses 4-5
: Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan melalui boiler untuk menyelesaikan siklus.
12
B. EVALUASI KERJA UTAMA DAN PERPINDAHAN KALOR
Subsistem A di ilustrasikan pada gambar dibawah ini, Setiap komponen pada subsitem A dianggap berada dalam kondisi tunak. Sedangkan prinsipnya menggunakan prinsip konservasi massa dan konservasi energi. Pengembangan pembahasan subsitem dimulai dari kondisi 1 yang akan berlanjut ke komponen yang lainnya.
Gambar 2.4. Prinsip Kerja dan Perpindahan Kalor Subsistem A Turbin.
Uap dari boiler pada kondisi 3 berada pada temperatur dan tekanan yang sudah dinaikkan, berekspansi melalui turbin untuk menghasilkan kerja dan kemudian dibuang ke Kondenser pada kondisi 4 dengan tekanan yang relatif rendah. Dengan mengabaikan perpindahan kalor dengan sekelilingnya , Kesetimbangan laju energi dan massa untuk volume atur disekitar turbin berada dalam kondisi tunak. Kerja turbin dihitung dengan dasar kesetimbangan massa dan energi untuk aliran steady. aliran steady.
̇ ̇
W
̇ ̇
13
3 m 4 m
m
Wturb
4 h4 m
(h3 m
h4 )
3h3 m
Wturb
Dimana
̇
: laju aliran massa dari fluida kerja (kg/s)
W turb : laju kerja yang dihasilkan turbin(J/s) h
: entalpi (J/s)
Kondenser
Dalam kondenser terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran terpisah. Uap terkondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Jumlah panas yang dilepas kondenser dihitung dengan dasar kesetimbangan massa dan energi untuk aliran steady aliran steady
̇ ̇
̇ ̇
Jumlah panas yang dilepas pada Kondenser (Q out) dapat dihitung sebagai berikut
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Dimana
: laju aliran massa dari fluida kerja(kg/s)
: jumlah panas yang dilepas pada Kondenser (J/s)
h
: entalpi (J/s)
14
Pompa
Kondesat cair yang meninggalkan kondenser di kondisi 1 dipompa dari kondenser ke boiler yang bertekanan lebih tinggi. Dengan menggunakan volume atur disekitar pompa dan mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor dengan sekitarnya, kesetimbangan laju massa dan energi adalah
̇
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇
̇ ̇ ̇ ̇
Dimana :
̇
: Laju aliran massa dari fluida kerja (kg/s)
h
: entalpi (J/s)
̇ ̇
: tenaga masuk per unit massa yang melalui pompa.
15
Boiler
Fluida kerja menyelesaikan siklus ketika cairan yang meninggalkan pompa pada kondisi 2 yang disebut air-pengisian, dipanaskan sampai jenuh dan diuapkan kedalam boiler dengan menggunakan volume atur yang melingkupi tabung boiler dan drum yang mengalirkan air pengisian dari kondisi 2 ke kondisi 3
̇ ̇
̇ ̇
Transfer panas pada boiler (Q in) dapat dihitung
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Dimana
: Laju aliran massa dari fluida kerja(kg/s)
: Transfer panas pada boiler (J/s)
h
: entalpi (J/s)
C. PENGARUH TEKANAN BOILER DAN KONDENSER TERHADAP SIKLUS RANKINE
16
Gambar 2.5. Diagram temperatur entropi untuk siklus Rankine ideal Siklus Rankine adalah siklus yang seluruhnya terdiri dari proses reversible secara internal. Oleh sebab itu, persamaan untuk efisiensi thermalnya dapat diperoleh dalam bentuk temperatur rata – rata – rata. rata. Luas daerah dapat diinterprestasikan sebagai perpindahan kalor per unit massa. Sebagai contoh pada gambar 2.5, sehingga perumusannya menjadi
̇ ̇ ∫
Subskrip “Int rev” dipertahankan untuk mengingatkan bahwa persamaan ini terbatas untuk suatu proses reversible secara internal melalui pompa
̇ ̅ ̇
Dapat ditulis juga dalam bentuk
, sehingga persamaannya menjadi
Demikian juga untuk daerah 2-b-c-3-2. Persamaannya menjadi
̇ ̇ ∫
Maka efisiensi thermal dari siklus Rankine dapat dinyatakan dalam bentuk perpindahan kalor sebagai
̇̇ ̇ ̇
Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa efisiensi thermal siklus ideal cenderung meningkat jika temperatur rata – rata – rata rata penambahan energi melalui proses perpindahan kalor meningkat dan atau temperatur pelepasan energi menurun. Persamaan diatas dapat digunakan untuk mempelajari pengaruh perubahan dalam tekanan boiler dan kondenser terhadap kinerja.
17
Gambar 2.6. Pengaruh variasi tekanan operasi pada siklus Rankine ideal (a) pengaruh tekanan boiler (b) pengaruh tekanan kondenser Pada gambar 2.6a dijelaskan memperlihatkan 2 siklus ideal yang memiliki tekanan kondenser yang sama tetapi tekanan boiler yang berbeda. Dari gambar diatas dapat disimpulkan bahwa peningkatan tekanan boiler pada siklus Rankine ideal cenderung meningkatkan efisiensi thermal. Pada gambar 2.6b memperlihatkan dua siklus dengan tekanan boiler yang sama tetapi tekanan Kondenser yang berbeda. Dari gambar diatas dapat disimpulkan bahwa penurunan tekanan kondenser cenderung meningkatkan efisiensi thermal.
D. IREVERSIBILITAS IREVERSIBILITAS DAN RUGI UTAMA
Jika fluida kerja melewati bermacam-macam komponen dari siklus daya uap sederhana tanpa irreversibilitas, gesekan, pressure dari boiler dan kondensor maka fluida kerja akan mengalir melalui komponen-komponen ini pada tekanan konstan. Selain itu dengan tidak adanya reversibilitas dan heat transfer dengan lingkungan, proses melalui turbin dan pompa akan isentropis, sehingga suatu siklus menjadi ideal (siklus Rankine ideal). Pada kenyataannya terdapat penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena: 1. Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan kondenser sehingga tekanan steam saat keluar boiler sangat rendah sehingga
18
kerja yang dihasilkan turbin (W out) menurun dan efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk. 2. Adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang diperlukan (Q in) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya termal nya berkurang. Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap. Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak peralatan seperti boiler, Kondenser dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan
jatuh
yang
besar
pada
boiler
mengkibatkan
pompa
membutuhkan tenaga yang lebih untuk memompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal. Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan pada turbin karena proses ekspansi uap air pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun. Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin, sehingga pompa membutuhkan kerja (W in) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja (W out) yang lebih rendah.
Gambar 2.8. Diagram temperatur entropi menunjukan pengaruh Ireversibilitas Turbin dan Pompa
19
Turbin
Irreversibilitas utama yang dialami ada hubunganya dengan ekspansi melalui turbin. Perpindahan kalor dari turbin ke sekitarnya merupakan salah satu bentuk rugi, tapi karena rugi ini biasanya tidak terlalu penting , maka rugi ini diabaikan. Seperti diilustrasikan oleh proses 1-2 pada gambar 2.8, Ekspansi adiabatik yang aktual dalam turbin selalu disertai kenaikan entropi. Kerja yang dihasilkan per unit massa dalam proses ini lebih kecil dari pada ekspansi isentropik 1-2s. Efisiensi isentropik turbin adalah
( ( ̇ ̇ ̇ ̇))
Dimana pembilang merupakan kerja yang aktual yang dihasilkan per unit massa yang melalui turbin, dan penyebut merupakan kerja untuk ekspansi isentropik dari daerah masuk turbin ke tekanan keluar turbin. Ireversibilitas dalam turbin menyebabkan penurunan yang cukup signifikan dalam keluaran daya netto dari pembangkit tenaga. Pompa
Masukan kerja ke pompa diperlukan untuk mengatasi gesekan juga mengurangi keluaran daya netto dari pembangkit. Jika tidak ada perpindahan kalor ke sekelilingnya , akan terjadi peningkatan entropi di dalam aliran yang melewati pompa. Proses 3-4 pada gambar 2.8 mengilustrasikan proses pemompaan yang aktual. Masukan kerja untuk proses ini lebih besar daripada untuk proses isentropik 3-4s. Efisiensi isentropik dari pompa dengan menggunakan penomoran pada gambar 2.8 adalah
( ( ̇̇ ̇ ̇ ))
Dalam persamaan ini , kerja pompa untuk proses isentropik muncul sebagai pembilang. Kerja pompa aktual, yang kuantitasnya lebih besar adalah penyebutnya. Karena kerja pompa jauh lebih kecil dari kerja turbin, Ireversibilitas Ireversibilit as
20
pompa memiliki pengaruh yang lebih kecil terhadap kerja netto siklus dibandingkan dengan Ireversibilitas dalam turbin
Ketidakidealan lainnya
Ireversibilitas turbin dan pompa yang disebutkan diatas adalah ireversibilitas internal yang dialami oleh fluida kerja ketika mengalir dalam sirkuit tertutup siklus Rankine. Akan tetapi sumber terpenting dari ireversibilitas untuk keseluruhan pembangkit tenaga uap berbahan fosil adalah berkaitan dengan pembakaran bahan bakar dan perpindahan kalor yang kemudian terjadi dari produk pembakaran yang yang panas ke fluida kerja siklus. Pengaruh lain yang timbul dilingkungan sekitar adalah pelepasan energi ke air pendingin ketika fluida kerja mengalami kondensasi. Walaupun cukup banyak energi yang dibawa pergi oleh air pendingin, ternyata pemamfaatannya terbatas. Untuk kondenser dimana uap berkondensasi dekat dengan temperatur ambien, air pendingin mengalami peningkatan hanya beberapa derajat lebih tinggi daripada temperatur ambien ketika melalui kondenser sehingga memiliki kegunaan yang terbatas. Oleh karena itu , signifikansi dari rugi ini jauh lebih kecil daripada yang diduga dari besarnya energi yang dipindahkan ke air pendingin. Selain yang sudah disebutkan sejauh ini, terdapat beberapa sumber ketidakidealan lainnya. Sebagai contoh , perpindahan kalor “liar” dari permukaan permukaan luar komponen pembangkit memiliki efek yang merugikan kinerja, karena rugi rugi tersebut mengurangi keefektifan konversi dari masukan kalor yang menjadi keluaran kerja. Pengaruh gesekan-gesekan yang mengakibatkan penurunan tekanan merupakan sumber ireversibilitas internal ketika fluida kerja mengalir melalui boiler, kondenser dan pipa yang menghubungkan berbagai komponen.
21
BAB III KESIMPULAN KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan
Berdasarkan dari pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Siklus Rankine adalah siklus adalah siklus termodinamika yang mengubah panas mengubah panas menjadi kerja. menjadi kerja. Terdapat Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud). Proses 1
: Fluida dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.
Proses 2
: Fluida cair bertekanan bertekanan tinggi masuk ke boiler ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.
Proses 3
: Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi sedikit kondensasi juga juga terjadi.
Proses 4
: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.
2. Evaluasi Kerja Utama dan perpindahan Kalor meliputi evaluasi Kerja dan perpindahan kalor pada Turbin, Pompa, Pompa, Boiler dan Kondenser. 3. Peningkatan tekanan boiler pada siklus Rankine ideal cenderung meningkatkan efisiensi thermal, sedangkan penurunan tekanan kondenser cenderung meningkatkan efisiensi thermal. 4. Ireversibilitas dan Rugi utama meliputi bagian pompa dan kondenser ( Internal ), Ireversibilitas dalam turbin menyebabkan penurunan yang cukup signifikan dalam keluaran daya netto dari pembangkit tenaga, sedangkan Ireversibilitas pompa memiliki pengaruh yang lebih kecil terhadap kerja netto siklus dibandingkan dengan Ireversibilitas dalam turbin.
22
B. Saran
Dari
pembahasan
Makalah
Seminar
Fisika
ini,
penulis
menyarankan: 1. Untuk mengembangkan kajian mengenai Analisis siklus Rankine dalam sistem pembangkit tenaga uap, perlu mempelajari masalah sistem pembangkit tenaga uap secara menyeluruh/ lebih kompleks dan mempelajari materi termodinamika sebelumnya serta menambah referensi lebih banyak yang menunjang
23
DAFTAR PUSTAKA
A Chengel, Yunus dan Michael A Boles. 2006.
Thermodynamics an
engineeringapproach fifth edition.MC edition .MC Graw Hill. USA. 560 Basyirun, S. Pd, M.T., Dkk. 2008. Buku Ajar Mesin Konversi Energi. Universitas Univers itas Negeri Semarang : PKUPT UNNES/ Pusat Penjamin Mutu Daramy Yunus, Asyari. 2005. Diktat Termodinamika II . Jakarta: Universitas Darma Moran,Michael j. (2004).Termodinamika (2004). Termodinamika Teknik jilid 2. 2. Jakarta: Erlangga Reynold.c.Parkins (1991). Termodinamika teknik. Bandung: Erlangga http://mesin.ub.ac.id/diktat_ajar/data/03_a_termo2.pdf http://repository.ui.ac.id/contents/koleksi/11/0690b1520a531271082a51f1fe0f175 7984802cb.pdf http://www.scribd.com/doc/50624255/buku-ajar-mesin-konversi-energi http:// 120902748-Sistem-tenaga 120902748-Sistem-tenaga-uap-Teknik-Mesin.pdf -uap-Teknik-Mesin.pdf
