Siklus Tenaga Uap

Ketel Uap Prepared by: Himsar AMBARITA

REVIEW SIKLUS TENAGA UAP Vapor Power Cycles Ketel Uap adalah sebuah peralatan teknik yang fungsinya mengubah fasa fluida kerja dari cair menjadi uap. Ketel Uap ( Boiler ) merupakan salah satu komponen utama Siklus Tenaga Uap ( Vapor Power Cycle). Sebagai catatan, Ketel Uap tidak hanya terdapat pada Siklus Tenaga Uap. Proses perubahan fasa fluida kerja dari fasa cair menjadi uap, dapat dijelaskan dengan pemahaman yang baik dari siklus Rankine. Pada bab ini akan dijelaskan proses-proses termodinamika pada Siklus Tenaga Uap (disingkat STU). Pada STU, selama siklus terjadi perubahan fasa pada fluida kerjanya, mulai dari cair, uap, dan kembali cair. Siklus ini sering juga disebut dengan siklus Rankine. Saat ini, STU sangat banyak dijumpai, sekitar 90% dari listrik yang dihasilkan di dunia ini, dibangkitkan dengan STU. Sebagai seorang engineer adalah wajib hukumnya untuk menguasai analysis Termodinamika STU. Pada bagian awal akan dijelaskan secara ringkas tentang STU, kemudian pembahasan akan dilanjutkan dengan analysis termodinamika pada STU sederhana. Parameter utama sebuah siklus tenaga adalah efisiensi thermal. Pada bagian berikutnya akan dilanjutkan pembahasan modifikasi yang umum dilakukan untuk meningkatkan efisiensi sebuah STU. Pada bagian akhir akan dibahas siklus rankine organik, yang penggunaannya semakin populer karena dapat digunakan sebagai pembangkit tenaga dengan memanfaatkan panas pada temperatur yang relatif rendah. Tujuan utama bab ini adalah memberikan gambaran dan pengetahuan cara kerja STU dan bagaimana meningkatkan efisiensi sebuah STU.

I.

Siklus ini, umumnya, dinamai dengan siklus Rankine, sebagai bentuk penghargaan kepada William John Macquorn Rankine, ahli fisika dan matematik dari Skotlandia, yang telah banyak memberi sumbangan pada perkembangan termodinamika. STU sangat populer saat ini, karena 90% energi listrik di dunia ini dihasilkan dengan menggunakan STU [1]. Sumber energi STU ini bisa beragam mulai dari minyak bumi, gas alam, batubara, maupun sumber-sumber energi terbarukan seperti biomassa, panas bumi, energi surya, maupun sumber lainnya seperti reaksi nuklir. Dalam bentuk sederhana aplikasi siklus ini dalam pada sistem pembangkit tenaga, ditampilkan pada Gambar 1. Sistem pembangkit tenaga pada gambar tersebut dapat dibagi atas, 4 bagian utama. Pertama adalah siklus tenaga uap, sistem pembakaran, sistem pendingin, dan sistem konversi energi listrik. Sistem pembakaran adalah semua komponen yang digunakan untuk memasukkan energi dalam bentuk panas ke dalam STU sampai pembuangannya ke udara lingkungan, sementara sistem pendingin digunakan untuk mendiginkan sisa uap yang keluar dari turbin, dan sistem konversi energi adalah alat yang digunakan untuk mengubah putaran yang dihasilkan oleh turbin menjadi energi listrik. Sistem ini menggunakan generator. Siklus tenaga uap akan dijelaskan pada bagian berikut.

Defenisi STU

Siklus tenaga uap (STU) adalah siklus tertutup termodinamika yang digunakan mengkonversikan energi dalam bentuk panas menjadi energi dalam bentuk kerja dimana fluida kerja yang digunakan berubah fasa selama siklus.

Cerobong

Boiler 2

3

& W net η p

& W p

Bahan bakar

Pompa

Turbin

+ -

η t

Kondensor

1

Generator 4

II. STU Sederhana

Pompa

Siklus tenaga uap sederhana, terdiri dari 4 komponen utama, yaitu: pompa, boiler, turbin, dan kondensor. Rangkaian keempat komponen utama ini ditampilkan pada Gambar 2. Siklus yang ditampilkan pada gambar ini adalah siklus tertutup. Fluida kerja yang umum digunakan pada STU adalah air. Setelah keluar dari kondensor, air akan dipompakan oleh pompa sampai tekanannya sama dengan tekanan boiler. Kemudian air bertekanan ini akan dipanaskan di dalam boiler hingga berubah wujudnya menjadi uap.

Cooling tower

Gambar 1 Sistem pembangkit tenaga uap

Sustainable Energy Research Group

9

Mechanical Engineering, USU


Akibat perubahan wujud ini, akan terbentuk uap bertekanan yang dapat ditembakkan ke sudu-sudu turbin, sehingga membuat turbin berputar. Putaran turbin inilah yang akan disebut sebagai energi dalam bentuk kerja atau energi mekanik. Setelah melewati turbin, tekanan dan temperatur uap akan turun. Kemudian uap ini akan dikondensasikan di dalam kondensor. Proses ini aken melepaskan sebagian energi dalam bentuk panas ke luar dari siklus. Setelah melalui kondensor, uap akan berubah menjadi air dan kembali masuk ke dalam pompa, dan siklus akan berulang. Dari penjelasan ini dapat dilihat bahwa fluida kerja mengalami perubahan fasa dari cair ke uap dan kembali cair.

Secara ideal proses ini dapat dibagi atas, 4 proses, yaitu: a. Proses 1-2 : Proses kompresi isentropik oleh pompa b. Proses 2-3 : Pemanasan fluida kerja secara isobarik pada boiler c. Proses 3-4 : Ekspansi isentropik pada Turbin d. Proses 4-1 : Perpindahan panas dari fluida ke lingkungan secara isobarik. Dengan menggunakan proses ideal ini, maka analysis hukum kekekalan energi pada masing-masing komponen dapat dijabarkan. Pompa Pompa adalah termasuk mesin fluida dimana energi (dalam bentuk kerja) digunakan untuk menaikkan tekanan fluida kerja dari tekanan kondensor ( p1 ) ke tekanan boiler

Q& in

( p2 ). Jika kehilangan panas ke lingkungan diabaikan, pada kondisi steady, kerja pompa dapat dituliskan dengan persamaan berikut: p

& = m& (h − h ) W 2 1 p

& W net

& W

& [kg/s] adalah laju aliran fluida kerja dan Dimana m h [kJ/kg] adalah entalpi dari fluida kerja pada masingmasing kondisi yang diberikan. Pada proses ideal (isentropik), kerja pompa ini dapat dinyatakan dengan persamaan:

η t

η p

& ≈ m& × v ( p − p ) W 1 2 1 ps

Q& out

(2)

Proses kompresi pada pompa ini sebenarnya tidak secara isentropis, tetapi ada penyimpangan yang dinyatakan dengan efisiensi isentropis pompa dan dirumuskan:

Gambar 2 Komponen STU sederhana

& = W p

n s t a o n k p i t r o n E

& W ps

(3)

η sp

Proses penyimpangan dari garis isentropik pada pompa dapat dilihat pada Gambar 4. Boiler Fungsi boiler pada STU adalah mengubah fluida cair dari pompa (biasa disebut air umpan/ feedwater ) menjadi uap. Secara ideal proses ini terjadi secara isobarik, dan dapat dibagi atas 3 jenis. Pertama pemanasan, yaitu menaikkan temperatur air umpan (saat ini belum terjadi perubahan fasa), kedua proses pendidihan ( evaporasi), dimana temperaturnya konstan, dan proses ketiga pemanasan lanjut, yaitu menaikkan temperatur uap yang terbentuk. Pada Gambar 3 hanya dua proses yang ditunjukan, yaitu proses pemanasan dan proses pendidihan. Karepa pada kondisi akhir di titik 3 kondisi yang terjadi tepat uap saturasi atau tidak dilanjutkan pada kondisi pemanasan lanjut. Pada STU, umumnya prosesnya sampai ke panas lanjut. Jika kehilangan panas ke lingkungan diabaikan, maka laju perpindahan panas ke fluida kerja dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:

Gambar 3 Diagram P-h dan T-s STU

& (h3 − h2 ) Q& i = m

Proses termodinamika yang dialami fluida pada STU dapat digambarkan dengan menggunakan diagram T-s dan diagram P-h. Fluida yang umum digunakna pada STU adalah air, maka pada gambar berikut digram yang ditampilkan adalah untuk air. Sustainable Energy Research Group

(1)

(4)

Turbin Fluida yang keluar dari boiler dalam fasa uap, mempunyai tekanan dan temperatur tinggi (entalpinya juga tinggi), digunakan memutar sudu-sudu turbin. Pada sisi

10



keluar, tekanan dan temperatur uap akan turun (demikian juga entalpinya). Perbedaan entalpi sisi masuk dan sisi keluar turbin inilah yang berubah menjadi kerja sekaligus merupakan keluaran turbin. Jika kehilangan panas ke lingkungan dan perubahan energi kinetik dan potensial fluida diabaikan, maka kerja yang dihasilkan turbin dapat dirumuskan dengan persamaan:

& = m& (h − h ) W 3 4 t

dipompakan. Karena uap tidak dapat dipompakan. Tugas mencairkan uap keluar turbin ini adalah tanggung jawab kondensor. Maka fungsi kondensor adalah sesuai namanya mengkondensasikan uap keluar turbin menjadi cair. Untuk melakukan tugas ini, kondensor akan memerlukan media pendingin. Besarnya panas yang harus dibuang kondensor untuk mengkondensasikan uap ini dapat dihitung dengan persamaan: & (h4 − h1 ) Qo = m (9)

(5)

Pada kondisi ideal proses ini terjadi secara isentropik, tetapi pada kondisi aktual terjadi penyimpangan. Proses isentropik dan aktual pada turbin ini dapat dilihat pada Gambar 4. Pada gambar dapat dilihat akibat proses tidak isentropik, kondidi uap keluar tubin tidak pada titik 4s, tetapi akan bergeser ke sebelah kanan ke titik 4. Dengan kata lain entropi akan bertambah dari s4s ke s4. Hal yang sama juga terjadi pada pompa. Jika pada proses isentropik, kondisi fluida keluar pompa adalah 2s, tetapi karena prosesnya tidak isentropik, kondisi fluida keluar pompa adalah titik 2.

Parameter Performansi STU Sebuah STU dapat diasumsikan sebagai sebuah volume atur. Jika asumsi-asumsi berikut: kondisi steady, tidak ada penambahan atau pengurangan energi di dalam volume atur, kehilangan panas ke lingkungan diabaiakan (kecuali ada kondensor), maka hukum kekekalan energi akan memberikan persamaan berikut:

& = W & + Q& Q& in + W p t out

(10)

Persamaan ini mempunyai 4 komponen energi yang dapat digolongkan atas 2 bagian, yaitu energi bertentuk panas

& dan W & . ( Q& in dan Q& out ) dan energi berbentuk kerja W p t Biaya yang harus dibayar dalam mengoperasikan sebuah

& . Kemudian energi STU adalah Qin dan kerja pompa W p yang dipanen dari STU adalah kerja turbin, sementara panas dari kondensor adalah terbuang ke li ngkungan. Parameter-parameter yang dapat digunakan untuk menyatakan performasi dari sebuah STU antara lain adalah:  Kerja netto turbin Adalah kerja bersih yang dihasilkan dari sebuah STU:

& = W & − W & W net t p

(11)

Efisiensi thermal Efisiensi ini didefenisikan sebagai perbandingan kerja netto yang dihasilkan STU dengan energi panas yang masuk sistem. 

Gambar 4 Proses aktual pada turbin dan pompa Pada proses isentropik, kerja yang dilakukan turbin dapat dihitung dengan persamaan:

η th =

(12) Qin Efisiensi berbeda dengan efisiensi isentropik pada turbin dan pada pompa. Efisiensi thermal adalah efisiensi siklus secara keseluruhan, sementara efisiensi isentropis pada turbin dan pada pompa adalah menyatakan penyimpangan masing-masing komponen tersebut dari kondisi idealnya.  Back work ratio (bwr) Kerja pompa yang digunakan mengalirkan fluida dibandingkan dengan kerja yang dihasilkan turbin.

& = m& (h − h ) W (6) 3 4s ts Kerja turbin secara isentropik (biasa disebut kerja ideal) akan lebih besar dari kerja aktual. Perbandingan kerja aktual dan kerja ideal ini disebut efisiensi isentropik turbin. η st =

& W t

(7) & W ts Persamaan (5), (6), dan (7) dapat digabungkan untuk mendapatkan nilai entalpi aktual uap keluar dari turbin ( h4 ). η t =

(h3 − h4 ) (h3 − h4 s )

bwr =

& W p W t

(13)

(8) Metode Analysis STU Analysis suatu STU tidak begitu sulit, langkah awal yang sangat menentukan adalah proses penentuan entalpi dan entropi pada masing-masing titik. Yaitu titik 1 sampai dengan titik 4 pada diagram P-h. Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menentukan entalpi di tiap titik sebuah STU. Urutan metode yang umum digunakan adalah: (1) menggunakan Tabel, (2) menggunakan diagram

Kondensor Uap keluar turbin bisa saja langsung dibuang ke lingkungan, dengan catatan tersedia banyak air untuk diumpankan lagi oleh pompa ke boiler. Tetapi hal ini akan membutuhkan air dalam jumlah yang sangat besar. Oleh karena itu, uap yang keluar dari turbin dapat digunakan kembali dengan catatan harus dicairkan dulu agar dapat Sustainable Energy Research Group

& W net

11



P-h, dan (3) menggunakan Perangkat lunak. Salah satu dari metode itu atau gabungannya dapat digunakan. Metode mencari sifat-sifat ini telah dir eview pada bab sebelumnya. Contoh 1 STU Sederhana Ideal Sebuah STU sederhana ideal menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Kondisi uap masuk turbin adalah dalam keadaan saturasi, sementara keluar dari kondensor dan masuk pompa adalah cair saturasi. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, (g) bwr, dan (h) temperatur fluida masuk dan keluar turbin

=

201,92 kJ/kg Catatan: Satuan tekanan harus disesuaikan. 

Entalpi titik 3 dapat langsung dicari, yaitu kondisi uap saturasi pada tekanan 10 MPa (100bar) h3 = 2724,7kJ/kg, dan s3 = 5,6141kJ/kgK.



Pada titik 4, fluida kerja keluar turbin merupakan campuran uap dan air. Oleh karena itu harus dicari dulu kualitas uap keluar dari turbin. Kualitas ini dapat dicari dengan dengan menggunakan proses isentropi pada turbin. s4 = s f + x s g − s f Karena s4 = s3 (Proses isentropik), maka:

5,6141 = 0,6493 + x (8,1502 − 0,6493) x = 0,66 Maka: h4 s = h f + x hg − h f

Penyelesaian: Diketahui p1 = 0,01MPa(0,1bar) dan p2 = 10MPa(100bar),

= 191,83 + 0,66(2584,7 − 191,83) = 1775,65 kJ/kg

kondisi masuk fluida ke turbin adalah uap saturasi, kondisi keluar kondensor adalah cair saturasi, dan Qin = 500 MW.

ii. Analysis masing-masing komponen dapat digunakan untuk menjawab pertanyaan. a. Karena data yang diketahui adalah laju aliran panas ke fluida kerja di boiler, maka laju aliran massa dapat dicari dengan menggunakan persamaan (4):

& , (c) W & , (d) Q , (e) W & , (f) & , (b) W Ditanya: (a) m t p out net T 3 dan T 4 Dari data yang diberikan ini, maka diagram P-h dari STU ini ditampilkan pada gambar berikut. η th , (g) bwr, (h)

&= m b.

& W p

& W t

c.

h1

h3

Asumsi yang digunakan: (1) Steady, (2) panas yang hilang ke lingkungan diabaikan kecuali pada kondensor, (3) semua proses ideal. Langkah-langkah penyelesaian soal ini dapat dilakukan sebagai berikut: i. Melengkapi entalpi di setiap titik Entalpi tititk 1 dapat langsung diperoleh dari tabel,  yaitu kondisi cair saturasi pada tekanan 0,1 bar. h1 = s1 = s f = 191,83kJ/kg, 0,6493kJ/kgK,

d.

e. f.

Entalpi di titik 2, harus dicari dengan menggunakan proses isentropik pada pompa. Dengan menggabungkan persamaan (1) dan persamaan (2),

= 191,83 + 1,0102 × 10

h.


kg

(2724,7 - 201,92) kJ/kg

= 198,2

kg s

Kerja turbin dihitung dengan menggunakan persamaan (5): & = 198,2 kg (2724,7 − 1775,65) kJ = 188095kW W t s kg atau 188 MW Kerja Pompa dihitung dengan menggunakan persamanan (1) & = 198,2 kg (201,92 − 191,83) kJ = 2000,15kW W p s kg atau 2 MW Panas yang dibuang kondensor kg kJ Q& out = 198,19 (1775,65 − 191,83) s kg

313905W ≈ 313,9MW Kerja netto Turbin & = 188095 − 2000 = 186095kW ≈ 186MW W net Efisiensi Thermal 186 = 37,2% η th = 500

bwr =

h2 s = h1 + v1 ( p2 − p1 )

m3

h3 − h2 s

kW

g. Back work ratio, bwr

& = W & pompa isentropis W p ps −3

500.000

=

=

s1 g = 8,1502kJ/kgK, dan v1 = 1,0102 × 10 −3 m3 /kg. 

Q& i

(10 − 0,01) × 103 kPa 12

2 188

= 1.06%

Temperatur fluida masuk dan keluar turbin dapat dilihat pada tabel saturasi. T 3 = 45,810C (Temp. saturasi pada tekanan boiler)



h4 = h3 − η t (h3 − h4 s ) = 1918,01 kJ/kg

T 4 = 311,10C (Temp. saturasi pad tekanan kond.)

Perhitungan pada semua pertanyaan dapat dilakukan, dan hasilnya adalah sebai berikut: Diskusi: Pada pembahasan ini terlihat beberapa fakta berikut, pertama bahwa sebagian besar energi bahan bakar yang dimasukkan ke STU melalui boiler hanya sebagian yang dapat dimanfaatkan menjadi kerja pada turbin (sebesar 37,2%), sementara bagian terbesar malah terbuang pada kondensor (sebesar 62,7%). Kemudian, kerja yang digunakan untuk menggerakkan pompa juga hanya merupakan bagian kecil, jika dibandingkan dengan kerja yang dihasilkan turbin. Analysis ini masih memperlakukan asumsi bahwa pompa dan turbin bekerja secara isentropik. Efisiensi thermal akan berkurang, bagaimana pengaruhnya akan dibahas pada contoh soal ber ikut.

(a)

& = 2,22 W p

Qin =

Skema soal ini sama dengan contoh soal 2, perbedaannya hanya pergeseran titik 2 ke titik 2s dan titik 4 ke titik 4s. Dari pembahasan contoh 1 telah diperoleh, data-data berikut: h1 = 191,83kJ/kg , h2 s = 201,92 kJ/kg, h3 = 2724,7 kJ/kg, Dengan menjabarkan defenisi efisiensi isentropik pompa pada persamaan (3), h2 dapat dicari

h2 = h1 +



h2 s − h1

= 191,83 +

η sp

& (h2 s − h1 ) m

1

(MW)

(13)

η th

3.1 Superheat dan Reheat

η sp

Pada STU sederhana yang ditampilkan pada Gambar 3, ada fakta yang dapat merugikan siklus. Kondisi fluida yang keluar dari boiler di titik 3 adalah dalam keadaan saturasi langsung ditembakkan ke turbin. Ada dua efek yang sangat merugikan dari kondisi ini, pertama entalpi fluida masih sangat rendah dan kedua, sebagian uap akan segera menjadi air dan akan menumbuk sudu-sudu turbin. Jika ini

201,92 − 191,83 0,9

h2 = 203,04 kJ/kg Entalpi aktual fluida keluar turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (8).


(e)

Persamaan ini menunjukkan, bahwa energi bahan bakar berbanding terbalik dengan efisiensi. Artinya jika efisiensi besar, maka untuk menghasilkan tiap MW daya keluaran turbin akan dibutuhkan bahan bakar yang lebih sedikit. Demikian juga sebaliknya, jika efisiensi berkurang, maka untuk tiap MW daya keluaran turbin dibutuhkan bahan bakar yang lebih banyak.

dan h4 s == 1775,65 kJ/kg.

η sp

MW,

(c)

Sistem pembangkit tenaga merupakan gabungan beberapa disiplin ilmu dan sangat kompleks. Terdapat banyak tantangan yang harus dihadapi untuk membuat dan menjalankan suatu sistem pembangkit tenaga dengan efektif dan efisien. Salah satu tantangannya adalah bagaimana menaikkan performansi (misalnya efisiensi thermal) suatu sistem pembangkit tenaga. Bagi seorang engineer menaikkan efisiensi thermal sistem pembangkit merupakan salah satu tantangan tersendiri. Oleh karena itu segala upaya teknik harus dilakukan untuk dapat menaikkan efisiensi thermal suatu STU. Pada bagian ini akan dibahas, beberapa usaha yang dapat dilakukan untuk menaikkan efisiensi thermal suatu STU. Efisiensi thermal adalah perbandingan kerja berguna yang dihasilkan turbin dengan besarnya energi bahan bakar pada boiler, seperti yang dirumuskan pada persamaan (12). Maka efisiensi thermal berhubungan langsung dengan biaya produksi kerja yang dihasilkan turbin. Jika efisiensi itu diubah untuk menghasilkan 1 MW daya turbin, maka persamaannya menjadi:

T 3 dan T 4

& (h2 − h1 ) = ⇔ m

Qout = 342,27

MW,

III. Modifikasi STU

& , (c) W & , (d) Q , (e) W & , (f) & , (b) W Ditanya: (a) m t p out net

& W ps

(d)

& = 159,95 W t

Diskusi: Dari perbandingan jawaban kedua contoh soal ini dapat dilihat bahwa, efisiensi isntropik berpengaruh besar terhadap perfomansi STU. Kerja keluaran turbin akan berkurang, kerja pompa akan bertambah, dan panas yang dibuang kondensor akan bertambah dan akhirnya efisiensi thermal akan berkurang.

turbin uap saturasi, kondisi keluar kondensor cair saturasi, η ps = 0,9 , η ts = 0,85 , dan Qin = 500 MW.

& = W p

MW,

(b)

T 3 = 170,4 0C dan T 4 = 41,51 0C.

Penyelesaian: Diketahui p1 = 0,01MPa dan p2 = 10MPa, kondisi masuk



kg/s,

& = 157,73 MW, (f) η = 31,6 %, (g) bwr = 1,39%, (h) W net th

Contoh 2 STU Sederhana tidak Ideal Sebuah STU sederhana ideal menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Kondisi uap masuk turbin adalah dalam keadaan saturasi, sementara keluar dari kondensor dan masuk pompa adalah cair saturasi. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90% dan 85%, tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, (g) bwr, dan (h) temperatur fluida masuk dan keluar turbin

η th , (g) bwr, (h)

& = 198,28 m

13



berlangsung lama, maka turbin akan cepat rusak. Pada prakteknya, yang disarankan kualitas uap keluar dari turbin harus berada di atas 90%. Untuk menghindari kedua efek merugikan ini, perlu dilakukan modifikasi. Pertama, sebelum memasuki turbin, uap saturasi sebaiknya dipanasi lanjut. Proses pemanasan lanjut uap saturasi disebut superheat . Kedua, untuk menjamin kualitas uap keluar turbin, perlu dilakukan pemanasan ulang baru dimasukkan ke turbin lagi. Proses pemanasan ulang ini disebut reheat . Agar proses reheat dapat berlangsung, maka turbin harus dibuat bertingkat. Komponen utama STU yang dilengkapi reheater ditampilkan pada Gambar 5.

Pada gambar dapat dilihat bahwa, setelah mencapai kondisi saturasi (di titik " a"), fluida masih dipanaskan lanjut pada garis isobarik sampai ke titik 3. Temperatur fluida di sini akan berada jauh di atas temperatur mendidih (saturasi). Setelah keluar dari Turbin 1 di titik 4s, jika diteruskan sampai kondensor, maka kualitas fluida akan jauh dibawah 90%, hal ini tidak diinginkan. Untuk menghindari hal ini, maka fluida di panaskan kembali (reheat) dengan mengirimnya kembali ke boiler sampai kondisi titik 5. Dari kondisi ini, fluida dimasukkan ke Turbin 2. Karena posisi masuknya lebih tinggi, maka kualitas uap pada titik 6 akan lebih besar dari 90%. Efek dari superheat dan reheat ini terhadap performansi akan dibahas pada Contoh 3 berikut. Contoh 3 STU dengan Superheat dan Reheat Sebuah STU sederhana ideal menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Kondisi uap masuk turbin o pertama adalah superheat dengan temperatur 480 C, kemudian keluar pada tekanan 1MPa. Kemudian fluida keluar turbin pertama dipanaskan kembali ( reheat ) dan o masuk turbin 2 pada temperatur 400 C. Keluar dari turbin 2, fluida masuk kondensor hingga akhirnya masuk pompa pada keadaan cair saturasi. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, dan (g) bwr

Q& in & W p

& W t

Q& out

Penyelesaian: Diketahui p1 = 0,01MPa, p2 = 10MPa, dan tekanan antara

Gambar 5 STU dengan reheat

p4 = 1.MPa. Kondisi masuk turbin 1 superheat 480 oC,

Perbedaan utama STU sederhana pada Gambar 3 dengan STU dengan reheat yang ditampilkan pada Gambar 5 dengan adalah pada turbin dan boilernya. Turbin pada gambar ini dibagi atas Turbin tingkat pertama dan Turbin kedua. Setelah keluar dari Turbin 1, fluida dikembalikan ke boiler, dan kemudian dimasukkan ke Turbin 2. Oleh karena itu, boiler juga dirancang khusus agar mempunyai fungsi tambahan reheat . Proses ideal dari STU dengan superheat dan reheat ini, ditampilkan pada Gambar 6.

o

kondisi masuk turbin 2 superheat 400 C dan keluar kondensor cair saturasi.

& , (c) W & , (d) Q , (e) W & , (f) & , (b) W Ditanya: (a) m t p out net η th , dan (g) bwr

Komponen pada Gambar 5 sama dengan yang diinginkan contoh soal ini, tetapi diagram T-s nya sedikit berbeda seperti pada gambar berikut.

Asumsi-asumsi yang digunakan: Steady, ideal, dan tidak ada panas yang hilang pada komponen ke lingkungan.

Gambar 6 Diagram T-s STU ideal Sustainable Energy Research Group

14



Langkah pertama yang harus dilakukan adalah melengkapi entalpi di setiap titik. Tititk 1 dan Titik 2s telah dibuat caranya pada contoh  soal sebelumnya. h1 = 191,83kJ/kg , h2 s = 201,92 kJ/kg 



& = 200640 kW = 200MW W net bwr = 0,68 % η th =

= 40,13 % Q& in Diskusi: Pada soal ini terlihat bahwa terjadi peningkatan efisiensi yang cukup signifikan, dari yang sebelumnya 37,2% menjadi 40,13%. Pada soal ini, pembahasan masih hanya pada siklus ideal, untuk melihat pengaruh superheat dan reheat pada STU aktual akan dibahas pada contoh soal berikut.

Titik 3: kondisinya adalah superheat pada temperatur o o 480 C dan temperatur saturasinya 311,1 C (10 MPa). h3 = 3321,4 kJ/kg dan s3 = 6,5282 kJ/kgK Catatan: Nilainya dapat dilihat pada tabel superheat, tetapi kadang harus melakukan interpolasi. Tititk 4s: proses isentropik dari titik 3 sampai kondisi saturasi pada tekanan 1 MPa. s f 4 = 2,1387 kJ/kgK, s g 4 = 6,5863 kJ/kgK

h f 4 = 762,81 kJ/kg,

Contoh 4 STU dengan Superheat dan Reheat Sebuah STU sederhana ideal menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Kondisi uap masuk turbin o pertama adalah superheat dengan temperatur 480 C, kemudian keluar pada tekanan 1MPa. Kemudian fluida keluar turbin pertama dipanaskan kembali ( reheat ) dan o masuk turbin 2 pada temperatur 400 C. Keluar dari turbin 2, fluida masuk kondensor hingga akhirnya masuk pompa pada keadaan cair saturasi. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90% dan 85%, tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, dan (g) bwr

hg 4 = 2778,1 kJ/kg

Kualitas uap di titik 4s: (isentropik s4 = s3 )

x =

s3 − s4 g s4 f − s4 g

= 0,9869

Dengan menggunakan kualitas ini, maka entalpi dapat dicari: h4 s = h4 f + x (h4 g − h4 f ) = 2751,774kJ/kg o



Titik 5: kondisi superheat pada temperatur 400 C dan o temperatur saturasinya 179,9 C (1 MPa). h5 = 3263,9 kJ/kg dan s5 = 7,4651 kJ/kgK



Titik 6: proses isentropik dari titik 5 sampai kondisi saturasi pada tekanan kondensor 0,1 MPa. s f 6 = 0,6493 kJ/kgK, s g 4 = 8,1502 kJ/kgK

h f 4 = 191,83 kJ/kg,

hg 4 = 2584,7 kJ/kg

Kualitas uap di titik 6s: (isentropik s5 = s6 )

x =

s5 − s6 g s6 f − s6 g

& W net

Penyelesaian soal ini, hampir sama dengan penyelesaian Contoh soal no 3. Perbedaannya hanya terletak pada menentukan entalpi pada titik 2 (pengganti 2s), titik 4 (pengganti 4s), dan titik 6(pengganti titik 4s). Posisi masing-masing titik ini ditampilkan pada gambar berikut.

= 0,908

Dengan menggunakan kualitas ini, maka entalpi dapat dicari: h6 s = h6 f + x ( h6 g − h6 f ) = 2366,146kJ/kg Langkah kedua: Analysis masing-masing komponen Boiler memanasi fluida dua kali, maka:  & (h3 − h2 s ) + m& (h5 − h4 s ) , atau: Qin = m

&= m 

Q& in

( h3 − h2 s ) + ( h5 − h4 s )

= 137,68 kg/s

Turbin, karena ada 2, maka harus dihitung masingmasing:

& = m& (h − h ) = 78426 kW W 3 4s ts1 & = m& (h − h ) = 123603 kW W 5 6s ts 2 

Data yang sudah didapat dari contoh soal No 3 adalah: h1 = 191,83kJ/kg , h2 s = 201,92 kJ/kg, h3 = 3321,4 kJ/kg,

Pompa:

h4 s =

& = m& (h − h ) = 1389 kW W 2s 1 ps 

3263,9

kJ/kg,

dan

Dengan menggunakan defenisi isentropik pada pompa dan pada turbin, entalpi pada titik 2, titik 4, dan titik 6 dapat dicari.

Performansi: Kerja netto turbin:


h5 =

h6 s = 2366,146kJ/kg.

Kondensor:

& (h6 s − h1 ) = 299360 kW Q& out = m 

2751,774kJ/kg,

15



•

h2 = h1 +

( h2 s − h1 )

Pada gambar dapat dilihat bahwa pompa pada STU dengan regenerasi ada dua. Setelah fluida keluar dari pompa pertama akan memasuki pemanas air umpan. Disini fluida akan dicampur secara langsung dengan fluida panas yang diekstrak dari turbin pada kondidi 6. Hasil pencampuran ini akan diambil oleh pompa kedua untuk dikirim ke boiler. Fakta yang perlu dicatat di sini adalah laju aliran fluida yang melalui pompa pertama tidak sama dengan pompa kedua. Jika rasio fluida yang diekstrak dari turbin disebut r , maka yang masuk dari pompa pertama adalah 1 − r dan yang masuk pompa kedua adalah 1. Fakta ini akan digunakan saat melakukan analysis termodinamika.

= 203,04 kJ/kg

η ps

•

h 4 = h3 − η ts (h3 − h4 s ) = 2837,22 kJ/kg

•

h 6 = h5 − η ts (h5 − h6 s ) = 2500,81 kJ/kg

Analysis pada masing-masing komponen akan memberikan & = 141,04 kg/s, (a) m

& = 68290 + 107628 = 175918 kW, (b) W t & = 1581,54 kW, (c) W p

(d) Qout = 325663,4 kW,

& = 174336,6 kW, (e) W net (f) η th = 34,87% , dan (g) bwr=0,89%

3.2 Modifikasi STU dengan Regenerasi

Salah satu proses yang membuat suatu STU sederhana (seperti pada Gambar 3) adalah proses yang terjadi di boiler terlalu panjang. Seluruh proses ini ditunjukkan pada Gambar 7. Fluida kerja masuk boiler adalah dalam keadaan cair dingin (titik 2), kemudian dipanasi sampai cair saturasi (titik c) , diuapkan sampai uap saturasi (titik u), dan dipanaskan lanjut lagi sebelum akhirnya ditembakkan ke turbin.

Q& in

& W p2

& W t

& =1 m r

& W p1

1 − r

Q& out Gambar 8 STU dengan regenerasi sistem terbuka Gambar 7 Proses yang terjadi pada boiler STU sederhana

Diagram T-s dari STU dengan regenerasi sistem terbuka ditampilkan pada Gambar 9. Pada gambar dapat dilihat akibat menerapkan teknik regeneratif sistem terbuka, pada boiler prosesnya tinggal hanya dari titik 4-c-u- sampai titik 5. Hal ini jauh lebih pendek daripada harus membawa fluida kerja dari kondisi titik 2 ke titik 5.

Seandainya proses ini dapat diperpendek, maka jumlah energi panas yang dimasukkan akan dapat digunakan untuk lebih menaikkan temperatur fluida kerja keluar dari boiler. Memperpendek proses ini, dapat dilakukan dengan memanaskan fluida dari titik 2 sebelum dimasukkan ke dalam boiler. Untuk ini diperlukan fluida lain yang lebih panas tentunya. Fluida untuk memanaskan ini dapat diambil (diekstrak) dari pertengahan turbin. Proses mengambil sebagian fluida dari turbin dan digunakan untuk memanaskan fluida sebelum masuk ke boiler disebut teknik regenerasi. Ada dua kemungkinan, yang dapat dilakukan terhadap fluida hasil ekstraksi dari turbin saat memanaskan air umpan. Pertama, fluida ekstraksi tersebut dicampur langsung dengan fluida keluar dari kondensor dan langsung dijadikan air umpan boiler. Kedua, fluida ekstraksi tersebut hanya digunakan memanaskan air keluar dari pompa kemudian dikembalikan ke kondensor.

m& r m&

& (1 − r ) m

3.2.1. STU dengan Regenerasi sistem Terbuka Sebuah STU yang dilengkapi dengan regenerasi ditampilkan sistem terbuka ditampilkan pada Gambar 8. Sustainable Energy Research Group

Gambar 9 Diagram T-s STU dengan regenerasi terbuka

16



Pada STU ini terjadi sedikit perbedaan analysis termodinamika. Perbandingan massa fluida yang mengalir dari masing-masing komponen tidak lagi sama, hal ini dikarenakan adanya ekstraksi pada turbin untuk dimasukkan kepada pemanas air umpan. Hal pertama yang harus dicari adalah nilai perbandingan aliran massa tersebut, seperti yang ditampilkan pada Gambar 9. Misalkan laju aliran massa yang melalui boiler dan & dan bagian yang yang masuk ke turbin 1 adalah, m diekstrak adalah r yang masuk ke turbin 2 adalah sisanya. Hukum kekekalan energi pada pemanas ini menjadi: & h3 = r m& h6 + (1 − r )m& h2 m (14)

Contoh 5 STU dengan Regeneratif sistem t erbuka Sebuah STU sederhana ideal menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Kondisi uap masuk turbin o pertama adalah superheat dengan temperatur 480 C. Pada tekanan 1MPa sebagian uap diekstrak untuk melakukan pemanasan air umpan sistem terbuka dan sebagian lagi diteruskan ke turbin kedua. Pada masing-masing sisi masuk pompa fluidanya adalah cair saturasi. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90% dan 85%, tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, dan (g) bwr

Dengan menyelesaiakan persamaan ini, maka nilai r dapat dihitung dengan persamaan: h − h2 r = 3 (15) h6 − h2 Nilai r ini adalah persentase dari fluida kerja yang diekstrak dari turbin. Maka nilainya akan bervariasi mulai dari 0 sampai dengan 1. Setelah nilai ini diperoleh, maka analysis pada masing-masing komponen dapat dilakukan.

& m

Penyelesaian: Diagram soal ini, sama dengan yang ditampilkan pada Gambar 8. Langkah berikutnya yang harus dilakukan adalah menentukan nilai entalpi pada masing-masing titik. Nilai entalpi yang dapat langsung diperoleh dari tabel adalah: titik 1, titik 3, dan titik 5. Selain dari titik-titik ini harus dicari dengan menggunakan prinsip-prinsip yang sudah dijelaskan pada bagian sebelumnya. Mengacu pada diagram T-s pada Gambar 8, diketahui p1 = 0,01 MPa,

r m&

(1 − r ) m& Gambar 10 Hukum kekekalan massa dan energi pada pemanas air umpan sistem berbuka

p2 = 1 MPa, p4 = 10MPa. Berikut entalpi pada masing-masing titik. • Titik 1: h1 = 191,83kJ/kg, s1 = s f = 0,6493kJ/kgK,

Boiler:

& (h5 − h4 ) Q& in = m

(16)

s1 g = 8,1502kJ/kgK, dan v1 = 1,0102 × 10 −3 m3 /kg.

Turbin: Karena ada dua, maka kerja yang dihasilkan masingmasing turbin dapat dihitung dengan persaman berikut:

& = m& (h − h ) W 5 6 t 1

(17)

& = (1 − r )m& (h − h ) W 6 7 t 2

(18)

•

Titik 2: Pemompaan isentropis ke tekanan p2 = 1 MPa

h2 s = h1 + v1 ( p2 − p1 ) = 192,83 kJ/kg. h2 = h1 + ( h2 s − h1 ) η ps = 192,94 kJ/kg •

Titik 3: cair saturasi pada tekanan p3 = p2 = 1MPa

h3 = 762,81 kJ/kg dan v3 = 1,1273 × 10 − m3 /kg 3

Kondensor:

& (h7 − h1 ) Q& out = (1 − r )m

•

(19)

MPa h4 s = h3 + v3 ( p4 − p3 ) = 772,9557 kJ/kg.

Pompa: Pada STU ini ada dua pompa, dan masing-masing kebutuhan dayanya dihitung dengan persamaan:

& = (1 − r )m& (h − h ) W 2 1 p1

(20)

& = m& (h − h ) W 4 3 p 2

(21)

Titik 4: Pemompaan isentropis ke tekanan p4 = 10

h4 = h3 + ( h4 s − h3 ) η ps = 774,083 kJ/kg •

0 Titik 5: Superheat p = 10 MPa dan temperatur 480 C.

h5 = 3321,4 kJ/kg dan s5 = 6,5282 kJ/kgK •

Dengan menggunakan persamaan-persamaan ini, maka efisiensi thermal siklus ini akan dapat dihitung. Untuk lebih memantapkan pengertian penggunaan regeneratif ini, soal yang diberikan sebelumnya akan dibahas jika yang diterapkan adalah regeneratif.

Titik 6: Pada kondisi saturasi: s6 f = 2,1387 h6 f = 762,81 , s6 g = 6,5863 , dan

h6 g = 2778,1 . Kualitas uap di 6s jika s6 = s5

x6 s =

s5 − s6 f s6 g − s6 f

=

0,9869 Maka entalpi di 6s:

h6 s = h6 f + x6 s (h6 g − h6 f ) = 2751,774 kJ/kg


17



Sementara proses aktualnya dgn η ts = 0,85

h6 = h5 − η ts ( h5 − h6 s ) = 2837,218 kJ/kg Dengan entalpi sebesar ini ( > h6 g ) maka titik 6 sudah berada di daerah superheat atau di luar garis saturasi. Entropi di titik 6 dapat dicari pada tabel superheat.

s [kJ/khK] 6,694 s6 = ?

h [kJ/kg] 2827,9 2837,22 2920,4 s6 = 6,694 +

•

m&

Q& in

s6 = 6,713

6,8817 (6,881 − 6,694) ( 2920,4 − 2827,9)

(Cara menginterpolasi ada di bawah) × (2837,22 − 2827,9)

& (1 − r ) m

Titik 7: Dengan cara yang sama saat menentukan entalpi titik 6, dapat dilakukan untuk titik 7 ( s7 = s6 ).

x7 s = 0,808

,

h7 s = 2126,19

kJ/kg

,

& W p

dan

h7 = 2232,84 kJ/kg Analysis pada masing-masing komponen dapat dilakukan. a.

Boiler

&= m

Q& in

(h5 − h4 )

& W t

r m&

Q& out

= 196,285 kg/s

Perbandingan massa yang diekstrak, persamaan (15), maka r = 0,21551 .

Gambar 11 STU dengan Regenerasi Sistem Tertutup Diagram T-s STU dengan regenerasi sistem tertutup ini ditampilkan pada Gambar 12. Setelah melakukan pertukaran panas pada APK, maka fluida cair akan dialirkan ke kondensor menggunakan sebuah katup yang hanya dapat mengalirkan cairan. Karena tekanan di kondensor rendah, maka sebagian cairan yang diteruskan ini akan berubah fasa. Dengan alasan ini, maka pada diagram T-s, garis fluida ini akan jatuh diantara titik 1 dan titik 6.

gunakan

& ′ = rm = 42,301 kg/s Massa yang diekstrak m Massa yang lanjut ke turbin 2 dan kondensor & t 2 = (1 − r )m = 153,984 kg/s m b.

Kerja Turbin:

c.

& = 95037,69 kW dan W & = 93063,86 kW W t 1 t 2 Kerja Pompa & = 171,11 kW dan W & = 2212,72 kW W p1 p 2

d.

Kerja netto turbin:

& = 185717,7 kW W net

e.

Efisiensi Thermal:

η th = 37,14%

bwr = 1,2% f. bwr : Diskusi: jika dilakukan perbandingan dengan teknik superheat reheat, teknik regeneratif ini lebih baik. Dimana terlihat efisiensi thermal lebih tinggi. Tetapi kerja pompa lebih besar. Karena pencampuran dilakukan secara langsung, maka sistem ini disebut pemanas air umpas sistem terbuka. Sementara jika tidak dicampur langsung sistemnya akan disebut sistem tertutup.

& m & r m (1 − r ) m&

3.2.2. STU dengan Regenerasi sistem Tertutup Gambar 12 Diagram T-s STU dengan Regenerasi Sistem Terbuka

Berbeda dengan STU dengan regenerasi sistem terbuka, pada sistem tertutup fluida hasil ekstraksi tidak dicampur tetapi dikembalikan lagi ke kondensor. Bentuk STU ini ditampilkan pada Gambar 11. Pada gambar dapat dilihat bahwa fluida hasil ekstraksi yang diambil dari Turbin 1 dialirkan ke pemanas air umpan (tetapi tidak dicampur). Pemanas air umpan ini dapat dikategorikan sebagai Alat Penukar Kalor ( Heat Exchanger ). Sering disingkat APK atau HE. Setelah melalui APK, fluida hasil ekstraksi ini dimasukkan kembali ke kondensor. Sustainable Energy Research Group

Untuk dapat melakukan analysis termodinamika sistem tertem tertutup ini, pada Gambar 13 diillustrasikan penerapan hukum kekekalan energi. Dengan menggunakan asumsi bahwa tidak ada energi panas yang terbuang ke lingkungan, maka akan dipeoleh persamaan: & × h5 + m& h2 = r m& × h7 + m& h3 r m (22) Dimana r adalah rasio dari fluida ydang diekstrak dari turbin. Persamaan ini dapat diubah menjadi: 18



r =

h3 − h2

h5 − h7 Dengan mengetahui nilai dari termodinamika dapat dilanjutkan.

adalah menjaga kemurnian fluida kerja dari gas lainnya. Oleh karena itu, komponen ini sering juga disebut deaerator (deaeration = proses melepaskan gas dari fluida kerja). Setelah melewati turbin tingkat ke 5, sebagian fluida kerja juga diekstrak menjadi fluida pemanas pada HE1. Dengan penambahan komponen-komponen ini, maka diharapkan efisiensinya akan meningkat.

(23)

r

maka

analysis

& r m Boiler 12 7

m&

Gambar 13 Hukum kekekalan energi pada pemanas air umpan sistem tertutup

HE3

16

6

3.3 Modifikasi STU Gabungan Reheat dan Regenerasi

11

Q& in

17

Turbin

8

& W t

HE2

Modifikasi STU yang ditampilkan pada sub bab 3.1 dan sub bab 3.2, terdiri dari teknik reheat dan teknik regenerasi. Pada prinsipnya pemilihan tekanan ekstraksi dan penambahan reheater serta regenerator akan menaikkan efisiensi siklus. Tetapi pada saat yang sama penambahan ini akan berakibat pada penambahan jumlah komponen pada STU. Misalnya penambahan pompa, sistem pemipaan, heater, dll. Pada akhirnya ini akan menambah biaya investasi. Dari fakta ini akan selalu ada kondisi yang optimum secara ekonomi dalam menentukan sistem dengan modifikasi terbaik. Oleh karena banyaknya opsi yang ada, maka seorang perancang STU ( plant designer ) akan menggunaan perangkat lunak untuk menentukan design yang optimum dengan mempertimbangkan biaya operasi dan biaya investasi. Teknik yang biasa digunakan untuk mendapatkan kondisi optimum ini adalah menggabungkan teknik-teknik yang telah dibahas pada sub bab sebelumnya. Salah satu kombinasi yang umum dijumpai saat ini adalah seperti yang ditampilkan pada Gambar 13. Pada gambar dapat dilihat hal-hal berikut: Turbin dibagi atas 6 tingkatan. Setelah melewati tingkat pertama, sebagian fluida diekstrak sebagai fluida pemanas air umpan pada HE3. Setelah melewati turbin tingkat kedua, sebagian lagi fluida digunakan sebagai pamanas air umpan p ada HE 2. Fluida keluaran dari HE3, karena temperaturnya masih relatif tinggi, akan digunakan lagi sebagai fluida pemanas pada HE2. Setelah melalui turbin tingkat ketiga, diperkirakan, temperatur fluida sudah semakin rendah dan mendekati garis uap saturasi. Untuk menghindari masuk ke kubah cair-uap, maka fluida kerja akan dipanaskan kembali (reheat) dengan mengirimnya ke boiler. Setelah keluar dari boiler, fluida kemudian dikirim kembali ke turbin dan masuk melalui tingkat 4. Setelah melalui tingkat 4 ini, sebagian lagi diekstrak sebagai fluida pemanas pada pemanas air umpan sistem terbuka. Tekanan kerja pemanas air umpan sistem terbuka ini, biasanya, dijaga lebih tinggi daripada tekanan udara luar (atmosfer ). Tujuannya adalah untuk melepaskan gas oksigen atau gas-gas lainnya yang terjebak pada fluida kerja ke udara luar. Dengan kata lain fungsi lain dari pemanas air umpan sistem terbuka ini


18

5

& W p2

9 10

4

19

3 HE1

13

Dearator pemanas terbuka

14

20 21

2

& W p1

1

15

Pompa Kondensor

Q& out

Gambar 13 STU dengan gabungan regenerasi dan reheat

m&

& r 1 m & r 2 m r 3 m&

& r 4 m (1 − r 1 − r 2

−

r 3

−

& r 4 ) m

Gambar 14 Diagram T-s STU dengan gabungan regenerasi dan reheat

19



Sebelum dilakukan analysis, diagram T-s untuk STU dengan kombinasi ini ditampilkan pada Gambar 14. Saat melakukan analysis, hal yang pertama harus dilakukan adalah menentukan nilai entalpi pada setiap titik yang diberikan. Setiap titik ini dapat lansung diperoleh dengan menggunakan data yang terdapat pada tabel atau menggunakan persamaan-persamaan kesetimbangan massa dan kesetimbangan energi pada komponen yang ditanyakan. Untuk mengetahui efek modifikasi STU dengan menggunakan gabungan regenerasi dan reheat, lakukan pembahasan contoh soal yang mirip dengan contoh-contoh sebelumnya berikut ini.

o

T

8

T sup1(480

C)

12 o

T sup2(400

C)

9 7 6 5 4

10 11

13 14

3 2 1

15s 15 s

Contoh 6 STU gabungan Regeneratif dan Reheat Sebuah STU sederhana menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Uuntuk meningkatkan efisiennya, STU ini dimodifikasi dengan menambahkan 3 HE sebagai pemanas air umpan sistem tertutup dan 1 deareator, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13. Turbin yang digunakan adalah 6 tingkat. Kondisi uap masuk turbin pertama adalah o superheat dengan temperatur 480 C. Setelah melewati tingkat pertama, sebagian uap diekstrak pada tekanan 6 MPa, kemudian setelah tingkat ke 2, sebagian lagi uap diekstrak pada tekanan 3 MPa. Keluar dari tingkat 3 pada tekanan 1,5MPa, fluida kerja di dipanaskan ulang ( reheat ), dengan mengirimnya ke boiler. Kemudian setelah melewati turbin tingkat 4, fluida kerja diekstrak lagi pada tekanan 0,3 MPa. Pada masing-masing sisi masuk pompa fluidanya adalah cair saturasi. Temperatur fluida pada titik 3, 6, dan 7 o o o masing-masing adalah 81,33 C, 212,4 C, dan 260 C. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90% dan 85%, tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, dan (g) bwr

Langkah pertama di sini adalah melengkapi entalpi di setiap titik. Dengan menggunakan metode-metode yang sudah dibahas pada sub bab sebelumnya, maka entalpi pada beberapa titik dapat dicari dan hasilnya ditampilkan pada tabel berikut: (dalam satuan kJ/kg).

h1 = 191,83

h8 = 3321

h15 = 2426

h2 = 192,94

h9 = 3191

h16 = 1214

h3 = ?

h10 = 3034

h17 = 1214

h4 = 709,0

h11 = 2896

h18 = 1009

h5 = ?

h12 = 3255

h19 = 1009

h6 = ?

h13 = 3089

h20 = 417,9

h7 = ?

h14 = 2724

h21 = 417,9

Titik yang lain dapat dicari dengan menggunakan data tambahan yang diberikan soal. • Titik 3: cairan dengan tekanan 7,5 bar ( p 2 = p 3 = p 4 ) o

dan temperatur 81,33 C. Untuk mencari entalpi cairan bertekanan ini, dapat digunakan persamaan yang sudah dijelaskan pada bab 1. h = h f + v f ( p − p sat ) o

Penyelesaian: Diketahui sebuah STU dengan modifikasi gabungan superheat dan regenerasi seperti pada Gambar 13 dan Gambar 14.

Dimana data dicari pada temperatur saturasi 81,33 C didapat: p sat = 0,5bar, h f = 340,49kJ/kg, dan

& , (c) W & , (d) Q , (e) W & , (f) & , (b) W Ditanya: (a) m t p out net

h3 = 340,49 + 1,03 × 10 −3 (750 − 50) = 341,211 kJ/kg

v f = 1,03 × 10 −3 m3 /kg. Maka:

η th , dan (g) bwr

Asumsi-asumsi yang digunakan menjawab soal ini adalah: • Aliran steady dan tidak ada kehilangan panas ke lingkungan (kecuali pada kondensor) • Perbedaan energi kinetik dan potensial masing-masing komponen diabaikan • Ekspansi fluida dari keuaran HE hanya merupakan proses throttling (tanpa kehilangan energi) Tekanan fluida dan temperatur saturasi pada masingmasing ekstraksi ditampilkan pada bagan berikut:


•

Dengan cara yang sama titik 6 dan titik 7 dapat di cari. h6 = 918,2 kJ/kg dan h7 = 1141,175kJ/kg

•

Titik 5 dapat dicari dengan proses pempompaan isentropis dari titik 4 ke titik 5 pada tekanan 100 bar. Karena efisiensi isentropis pompa 0,9 maka diperoleh h5 s = 719,11 kJ/kg dan h5 = 720,23 kJ/kg

Sampai di sini semua entalpi sudah didapat, lankah berikutnya adalah menentukan bagian dari fluida kerja yang diekstrak. • Pemanas sistem tertutup HE 3

20



m& h 7 r 1 m& h 9 r 1 m& h16

Hukum kekekalan energi: & h6 + r 1m& h9 = m& h7 + r 1m& h16 m

r 1 =

& h6 m

h7 − h6 h9 − h16

= 0,112783

Pemanas sistem tertutup HE 2 & h5 + r 2 m& h10 + r 1m& h17 = m& h6 + ( r 1 + r 2 )m& h18 m m& h6

& h10 r 2 m & h18 ( r 1 + r 2 ) m

& h5 m •

Pemanas sistem terbuka: Deaerator & h4 m

& h19 (r 1 + r 2 )m

r 3 m& h13

& h3 (1 − r 1 − r 2 − r 3 )m

& h3 + r 3m& h13 = ( r 1 + r 2 )m& h19 + mh4 (1 − r 1 − r 2 − r 3 ) m atau

r 3 =

(1 − r 1 − r 2 − r 3 )h3 − ( r 1 + r 2 ) h19 h13 − h3

Pemanas sistem tertutup HE 1 Misalkan: r 1 − r 2 − r 3 x = 1 − r

= 0,085455

•

r x m& h 3

Maka: & & & & r 4 mh14 = r 4 mh20 x mh2 + r x mh3 + r Atau: r ( h − h2 ) r 4 = x 3 = 0,046289 h14 − h20

& h14 r 4m

& h 20 r 4 m r x m& h 2

Sekarang analysis dapat digunakan a. Laju aliran massa fluida yang melewati boiler dan &) masuk ke turbin tingkat 1 ( m

& (h8 − h7 ) + (1 − r 1 − r 2 )m& (h12 − h11 ) Q& in = m & = 202,6476kg/s Karena Q& in = 500MW, maka m b.

Kerja masing-masing tingkat turbin:

& = m& (h − h ) = 26344kW W 8 9 t 1 & = (1 − r )m& (h − h ) = 28227kW W 1 9 10 t 2 & = (1 − r − r )m& (h − h ) = 22397kW W 1 2 10 11 t 3 & = (1 − r − r )m& (h − h ) = 26941kW W 1 2 12 13 t 4 & = (1 − r − r − r − r )m& (h − h ) = 40408kW W 1 2 3 4 14 15 t 5 Kerja masing-masing pompa & (h2 − h1 ) = 24,65kW W p1 = (1 − r 1 − r 2 − r 3 )m & ( h5 − h4 ) = 2275,6kW W p 2 = m d.

Qout = 305066,6kW


η th = 38,98%

g.

bwr=1,16%

Contoh 7 Siklus Rankine Organik Di bawah permukaan tanah, pemandian " Aek Rangat " di Sipoholon, jika digali pada kedalaman 10 m, temperatur airnya dapat mencapai 120 oC. Air hangat ini akan digunakan sebagai sumber energi pada Siklus Rankine Organik (SRO). Fluida kerja yang digunakan adalah R134a. Air panas tersebut akan digunakan mendidihkan fluida kerja di "boiler " pada tekanan saturasi 3MPa dan R134a o akan keluar dari boiler pada kondisi superheat 100 C. Kondensor SRO ini didinginkan oleh air sungai sehingga

& = (1 − r − r − r )m& (h − h ) = 52917kW W 1 2 3 13 14 t 5 c.

f.

Pada bagian sebelum ini, semua STU yang telah dibahas menggunaan air sebagai fluida kerjanya. Hampir semua STU yang beroperasi di dunia ini menggunakan air sebagai fluida kerjanya. Beberapa alasan utama kenapa menggunakan air antara lain adalah: (1) tersedia cukup banyak dan hampir gratis, (2) stabil secara kimia, (3) tidak beracun, (4) tidak korosif, (5) mengandung energi yang besar saat berubah fasa, dan (6) tidak mudah terbakar. Meskipun mempunyai keunggulan yang sangat banyak, bukan berarti air tidak punya kelemahan jika digunakan sebagai fluida kerja STU. Beberapa kelemahan yang spesifik, misalnya, (1) temperatur kritis yang relatif rendah, (2) tekanan kondensasi dibawah atmosfer jika didinginkan oleh fluida lingkungan (hal ini membuat kondensor menjadi mahal), dan (3) temperatur perubahan fasa yang relatif tinggi pada tekanan atmosfer. Isu berikutnya yang akhir-akhir ini mendapat perhatian bagaimana menggunakan kembali sumber-sumber panas yang terbuang ( waste heat ) sebagai sumber energi. Misalnya, (1) pabrik yang membuang gas hasil o pembakaran dengan temperatur sekitar 150 C, (2) sumber air panas yang keluar dari perut bumi sekitar 100 oC, (3) energi surya yang masih efisien jika ditangkap ( collect ) o sekitar 100 C. Sumber-sumber panas seperti ini banyak tersedia secara gratis di sekitar kita. Akhir-akhir ini, karena semakin langkanya sumber energi fosil dan tuntutan aksi mitigasi pemanasan global, maka sumber-sumber ini dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. STU sangat cocok digunakan untuk memanfaatkan sumber energi ini untuk menghasilkan listrik. Tetapi, karena sumber panasnya mempunyai temperatur yang rendah, maka sangat tidak mungkin menggunakan air sebagai fluida kerjanya. Fluida kerja yang dapat digunakan untuk tugas ini adalah refrigeran atau fluida organik. STU yang menggunakan fluida organik sebagai fluida kerjanya disebut Siklus Rankine Organik (SRO). Prinsip kerja SRO tidak berbeda dengan STU yang konvensional. Yang berbeda hanyalah fluida kerjanya, yang menggunakan fuida organik atau refrigeran. Berikut sebuah illustrasi SRO yang digunakan untuk membangkitkan listrik dari sebuah permandian air hangat.

r 1 m& h17

r 2 = 0,086347

W net = 194933,3kW

IV. Siklus Rankine Organik

•

Atau: h + r h − h5 − r 1h17 r 2 = 6 1 18 h10 − h18

e.

21



terjadi kondensasi pada temperatur 30 oC. Jika besarnya energi yang masuk dari air panas ke " boiler " adalah 100kW, tentukanlah besarnya energi listrik yang dihasilkan turbin, efisiensi isentropik pompa dan turbin masing-masing 0,9 dan 0,85. Penyelesaian: Diagram dari SRO ini ditunjukkan pada gambar berikut: Q&

h2 s = 241,65 + ( 3000 − 770) 1187,2 = 243,53 kJ/kg h2 = h1 + •

•

out

( h2 s − h1 )

=

243,74 kJ/kg

η ps

Titik 3: Superheat pada 100 oC h3 = 453,2 kJ/kg dan s3 = 1,7455 kJ/kgK Titik 4s: Ekspansi isentropik pada turbin Pada tekanan kondensor, nilai entropi uap adalah sebesar s g = 1,7149. Nilai ini lebih kecil dari entropi di titik 3 ( s3 ). Artinya titik 4s tidak berada di dalam

& W p

kubah uap, tetapi berada di luar kubah atau ( superheat ). Maka diagram T-s yang cocok untuk kasus ini adalah seperti pada gambar di bawah ini.

& W

net

η p

η t

o Diketahui: Fluida kerja R134a, P2 = 3 MPa, T 3 = 100 C,

T 4 = 30oC, Qin = 100kW, η ts = 0,85, dan η ps = 0,9. Diagram T-s siklus ini ditunjukkan pada gambar berikut:

Maka titik 4s dapat dicari dengan membandingkan entropi dan entalpi. h4 s − h1 h4 s − h1 = didapat h4 s = 424,215kJ/kg hg − h1 hg − h1 Proses ekspansi aktual menjadi h4 = h3 − η ts ( h3 − h4 s ) = 428,56kJ/kg ii. Setelah semua entalpi diperoleh, sekarang analysis pada masing-masing komponen dapat dilakukan. Asumsi: Aliran steady, tidak ada panas yang hilang dan kondisi fluida keluar kondensor adalah cair saturasi. Sebagai catatan, pada contoh ini kata "boiler" diberi tanda kutip. Sebenarnya pada kasus ini boiler lebih sering diganti dengan "Evaporator". Fungsinya sebenarnya sama, mengubah fasa cair fluida kerja menjadi uap. Tetapi pada SRO, karena umumnya tidak terjadi pembakaran maka namanya lebih sering diganti dengan Evaporator. Langkah penyelesaian soal ini sama dengan STU yang konvensional. Gunakan tabel R-134a pada lampiran buku ini. i. Menentukan entalpi masing-masing titik . o • Titik 1: cair saturasi pada 30 C. h1 = 241,65kJ/kg s1 = 1,1432kJ/kgK, 3

ρ 1 = 1187,2 m /kg, •

&= Evaporator : m

b.

& = m& ( h − h ) = 0,99 kW Kerja pompa: W 2 1 p

c.

& = m& ( h − h ) = 11,762 kW Kerja Turbin: W 3 4 t

d.

Efisiensi thermal: η th =

e.

bwr = 8,47%

( h3 − h2 )

= 0,4774 kg/s

& − W & W t p Q& in

= 10,76%

Diskusi: Efisiensi dari siklus ini hanya 10,76%. Biasanya efisiensi SRO adalah sekitar nilai ini. Hal ini juga sesuai dengan batasan efisiensi siklus karnot. Jika dibandingkan dengan STU konvensional, maka efisiensi ini sangat jauh lebih kecil. Tetapi meskipun kecil, hal ini tidak menjadi masalah. Alasannya adalah karena sumber energinya adalah merupakan panas terbuang. Sementara STU konvensional menggunakan sumber energi yang harus dibayar. Dengan kata lain, mengambil sekitar 10% dari

dan p1 = 0,77MPa

Titik 2s: Pemompaan isentropis sampai tekanan p2 = p3 = 3 MPa

h2 s = h1 + ( p2 − p1 ) ρ 1 Sustainable Energy Research Group

Q& in

a.

22



panas yang seharusnya terbuang, TIDAKLAH TERLALU BURUK. Meskipun efisiensinya rendah, akhir-akhir ini SRO mendapat perhatian yang cukup banyak dari para peneliti. Beberapa tantangan yang ada antara lain: (1) Bagaimana meningkatkan efisiensi siklus, (2) Mendapatkan fluida yang cocok untuk SRO, (3) menggabungkan siklus ini dengan siklus pembangkit tenaga yang konvensional sebagai bentuk Coogeneration . Atau mengambi kembali panas yang terbuang. Bidang ilmu yang menggunakan teknik ini umumnya dikenal dengan istilah CHP (Combined Heat and Power ). Kepada para pembaca yang tertantang untuk meningkatkan efisiensi pengkonversian energi, maka topik SRO ini selalu menantang untuk didalami. Terutama bagi Indonesia, yang mempunyai banyak sumber-sumber energi kualitas rendah atau panas terbuang (waste heat ).

& W net

η p

& p W

η t

Penyelesaian: Soal ini sama dengan Contoh 2, maka entalpi, entropi pada setiap titik demikian juga laju aliran massa sudah dicari dari contoh sebelumnya, seperti berikut: h1 = 191,83kJ/kg,

V. Analysis Exergi STU

h2 = 203,04kJ/kg, h3 = 2724,7kJ/kg, h4 = 1918,01kJ/kg,

Pada sub bab sebelumnya semua analysis yang dilakukan adalah berdasarkan hukum kekekalan massa dan hukum kekekalan energi. Analysis ini hanya memberikan nilai energi yang digunakan dan yang terbuang. Tetapi berapa kualitas energi yang terbuang tidak dapat dijelaskan. Analysis exergi dapat digunakan untuk memperkirakan kualitas energi yang digunakan. Pada bagian ini, bagaimana melakukan analysis energi pada sebuah STU akan dibahas. Beberapa persamaan yang akan digunakan telah dibahas pada bagian buku sebelumnya Thermodiamika Teknik I. Penjelasan ini akan langsung diaplikasikan dalam bentuk pembahasan contoh soal berikut.

& = 198,28kg/s. Kemudian entropi yang langsung dan m s1 = diketahui adalah: 0,6493kJ/kgK dan s3 = 5,6141J/kgK. Sementara s2 harus dicari dengan menginterpolasi dua kali tabel A5 atau menggunakan software IT . Dengan mengetahui h2 dan p2 didapat s2 = 0,6839kJ/kgK. Sementara entropi titik 4 dapat dicari dengan perbandingan berikut: s4 = s1 + x ( s g − s1 ) = 6,06 kJ/kgK Dimana x adalah kualitas uap, dicari dengan perbandingan entalpi dan s g adalah entropi uap jenuh pada tekanan kondensor. Perhitungan exergi dilakukan dengan kondisi o dead-zone T 0=25 C ( dan po=1Atm. Berikut analysis exergi pada masing-masing komponen: • Pompa : Persamaan untuk menghitung exergi pada pompa telah dibahas pada buku pertama. Laju penghancuran exergi pada pompa adalah:

Contoh 8: Analysis Exergi STU sederhana Sebuah STU sederhana ideal menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,01 MPa dan tekanan boiler 10 MPa. Kondisi uap masuk turbin adalah dalam keadaan saturasi, sementara keluar dari kondensor dan masuk pompa adalah cair saturasi. Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Temperatur udara hasil pembakaran adalah 1127 oC dan setelah melewati pipa boiler keluar melalui cerobong dengan temperatur 327 oC. Untuk mendinginkan kondensor digunakan air laut yang tersedia pada temperatur 26oC, setelah mendinginkan o kondensor air laut keluar pada temperatur 40 C. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90% dan 85%, sementara T 0=25oC dan po=1Atm. Tentukanlah: (a) laju penghancuran exergi pada masing-masing komponen, (b) efisiensi exergi pada Boiler dan pada Kondensor

& = m& T ( s − s ) = 2,04MW E d 2 1 f 0 Boiler: Diagram boiler ditampilkan pada gambar berikut. •

he

& f m

h3

h2

hi &a m Di sini ada dua aliran fluida, yaitu (1) aliran fluida kerja dan (2) aliran udara panas. Laju aliran exegi pada masingmasing aliran ini dapat dihitung dengan persamaan berikut: (1) Aliran fluida kerja


23



& = m& (h − h − T [ s − s ]) = 208,684 MW E 3 2 0 3 2 f f

Laju exergi pada air pendingin

(2) Aliran udara Harus dicari dulu laju aliran udara pemanas dengan menggunakan hukum kekekalan energi

Maka laju penghancuran exergi menjadi:

& a ( hi − he ) Q& in = m

Efisiensi exergi pada kondensor:

& = m& (h − h − T [ s − s ]) = 9,08 MW E 0 w w w0 wi w0 wi & d = E& + E& = 13,461MW E K f w

Dimana hi dan he adalah entalpi udara panas masuk dan

η E =

keluar. Nilai ini dicari dengan menggunakan Tabel A5, hasilnya hi = 1515,42kJ/kg dan he = 607,02 kJ/kg. Maka:

&a = m

500.000 (1515,42 − 607,02)

se0 − si0 = se − si adalah

entalpi

udara

Sebuah STU direncanakan menghasilkan daya netto turbin sebesar 10MW dan dioperasikan pada tekanan kondensor 0,08bar dan tekanan boiler 90bar. Keadaan uap masuk turbin adalah saturasi. Efisiensi isentropik pompa dan turbin adalah 0,85. Tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) energi yang masuk melalui boiler, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) Efisiensi thermal siklus, (f) bwr, dan (g) temperatur fluida masuk dan keluar turbin.

2.

Sebuah STU sederhana bekerja ada temperatur kondensasi 50oC dan temperatur evaporasi pada boiler o 300 C. Sebelum masuk turbin, uap dalam kondisi superheat. Efisiensi pompa dan turbin masing-masing adalah 0,9 dan 0,85. STU ini digunakan untuk menghasilkan daya netto turbin sebesar 20MW. Tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) energi yang masuk melalui boiler, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) Efisiensi thermal siklus, (f) bwr, (g) temperatur fluida masuk dan keluar turbin, (h) kualitas uap keluar turbin.

3.

Sebuah STU yang menggunakan teknik reheat menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,15bar dan tekanan boiler 95bar. Kondisi uap masuk turbin pertama adalah superheat dengan temperatur 450 oC, kemudian keluar pada tekanan 10 bar. Kemudian fluida keluar turbin pertama dipanaskan kembali ( reheat ) dan masuk turbin 2 pada temperatur 420 oC. Keluar dari turbin 2, fluida masuk kondensor hingga akhirnya masuk pompa pada keadaan cair saturasi. Efisiensi isentropik pompa dan turbin masing-masing sebesar 0,85. STU ini dirancang untuk menghasilkan daya keluaran turbin sebesar 100MW. Tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Panas yang masuk boiler, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (f) Efisiensi thermal siklus, dan (g) bwr

4.

Sebuah STU sederhana menggunakan air sebagai fluida kerjanya, bekerja pada tekanan kondensor 0,15bar dan tekanan boiler 100bar. Kondisi uap masuk turbin pertama adalah superheat dengan temperatur 450 oC. Pada tekanan 10bar sebagian uap diekstrak untuk melakukan pemanasan air umpan sistem terbuka dan sebagian lagi diteruskan ke turbin kedua. Pada masing-masing sisi masuk pompa fluidanya adalah cair saturasi. STU ini dirancang untuk menghasilkan

panas.

kJ/kgK dan se = 2,409kJ/kgK. Maka:

& = m& (h − h − T [ s − s ]) = -343,687 MW E 0 e a a e i i Tanda negatif menyatakan exergi udara pembakaran berkurang. Dengan kata lain kualitas energi dari aliran udara berkurang. Laju penghancuran exergi pada boiler menjadi:

& d = E& + E& = -135 MW E B f a Efisiensi exergi didefenisikan sebagai besarnya energi yang berguna dibagi yang masuk. Pada kasus ini yang berguna adalah pengurangan exergi pada aliran fludi kerja.

208,684 343,687

= 60,72%

Turbin: Pada turbin hanya ada 1 aliran fluida, maka laju penghancuran exergi dihitung dengan persaman: •

& = m& T ( s − s ) = 26,37 MW E d 4 3 f 0 Kondensor: Diagram aliran pada kondensor ditampilkan pada gambar berikut: •

& cw m

Karena aliran ada 2, maka masing-masing mempunyai laju aliran exergi: (1) Aliran fluida kerja

& = m& (h − h − T [s − s ]) = −22,54 MW E 4 0 1 4 f f 1 (2) Aliran air pendingin Harus dicari dulu entalpi dan entropi air pendingin pada temperatur 26oC dan 40 oC. Gunakan tabel saturasi: hwi = 109,07 kJ/kg, swi = 0,3814 kJ/kgK

hw0 = 167,57 kJ/kg, sw0 = 0,5725 kJ/kgK Hukum kekalan energi pada kondensor: & f (h4 − h1 ) = m& w (hw0 − hwi ) m

& w = 5850,73 kg/s. Maka didapat m Sustainable Energy Research Group

= 40,29%

1.

Nilainya sama karena tekanan adalah 1 atm. Dengan menggunakan data Tabel A22 diperoleh: si = 3,362

η E =

22,54

Soal Latihan

= 505,42 kg/s

& = m& (h − h − T [ s 0 − s 0 ]) E 0 e a a e i i Dimana

9,08

24



daya keluaran turbin 80MW. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90% dan 85%, tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Energi yang masuk melalui boiler , (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) Efisiensi thermal siklus, dan (f) bwr 5.

temperatur yang relatif tinggi. Jika langsung dibuag ke kondensor, maka ini akan menjadi kerugian. Untuk kasus seperti ini umumnya kondensor digunakan lagi sebagai sumber energi pembangkit tenaga dengan fluida kerja organik (SRO). Sistem ini biasa disebut sistem kogenerasi.

Sebuah STU dengan mengguakan teknik reheatregenerative dengan dua pemanas air umpan (satu sistem terbuka dan satu lagi sistem tertutup). Uap memasuki turbin tingkat pertama pada kondisi 100bar dan temperatur 480 oC dan keluar pada tekanan 8 bar. Kemudian uap dipanaskan lagi ( reheat ) sampai o temperatur 420 C kemudian dimasukkan ke turbin tingkat ketiga. Pada tekanan 20bar sebagian uap diambil dari turbin untuk digunakan untuk memanaskan air umpan sistem tertutup. Pada tekanan 4bar sebagian uap diambil dari turbin tingkat ketiga dan digunakan memanaskan air umpan sistem tertutup. Kondisi fluida keluar dari pemans sistem terbuka ini adalah cair saturasi. Diagram sistem ini ditunjukkan pada gambar berikut.

Boiler 2

3

η p

& W p 1

Pompa

Siklus H2O

& W t 1

Turbin η t

Heat Exchanger

1

4 Proses produksi

& W p 2

η p

Siklus R134a

& W t 2

η t

Pompa

Boiler

Turbin

Kondensor

Q& in

HE

Pada gambar, 10 kg/s uap air superheat 60bar 450 oC diekspansikan pada turbin ( η ts = 0,85 ) sampai

Turbin

& W t

tekanannya 2 bar. Sebanya 6 kg/s uap keluaran turbin digunakan untuk proses perebusan pada proses produksi industri dan sisanya dimasukkan ke heat exchanger untuk digunakan sumber energi pada siklus Rankine Organik R-134a. Keluar kondensor kondisi air adalah cair saturasi pada 1,5 bar. R134a masuk turbin pada tekanan 16 bar 100oC dan keluar kondensor pada cair saturasi 9bar. Tentukanlah: (a) Laju pemasukan energi pada boiler, dan (b) kerja total yang dihasilkan kedua turbin

& W p2 Pemanas terbuka

Kondensor

& W

p1

Pompa

Q& out

Referensi [1]. Wiser, Wandell H., Energy Resource: occurence, production, conversion use , 2000, Birkhauser. [2]. M.J. Moran dan H.N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons Ltd, Ed 5, West Sussex, 2006. [3]. Y.A. Cengel dan M.A. Boles, Thermodynamics; An Engineering Approach, Mcgraw-Hill College, Ed 5, 2005.

Untuk menjalankan STU ini digunakan batubara sebagai bahan bakar, sesuai hasil perhitungan panas yang masuk ke dalam fluida kerja adalah 500 MW. Jika efisiensi isentropi pompa dan turbin masingmasing 90% dan 85%, tentukanlah: (a) laju aliran fluida kerja, (b) Kerja yang dihasilkan turbin, (c) kerja yang dibutuhkan pompa, (d) panas yang dibuang di kondensor, (e) kerja netto turbin , (f) Efisiensi thermal siklus, dan (g) bwr 6.

Dua STU dengan fluida kerja air dan R134a digabungkan seperti gambar di bawah ini. Pada suatu proses produksi (industri) umumnya membutuhkan uap. Sebagian uap ini diambil dari buangan turbin. Akibatnya turbin harus diatur mengeluarkan uap pada


25


Siklus Tenaga Uap

Recommend Documents