Thermodynamic Pembangkit [PDF]

Citation preview

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 (100°C). Suhu absolut (T) adalah derajat di atas suhu nol absolut yang dinyatakan dengan Kelvin : (K); yaitu T = t°C + 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. P=



F A



- 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). Pabs = Pg + Patm



Apabila tekanan didalam bejana lebih rendah dari tekanan atmosfir maka perbedaan antara tekanan atmosfir dan tekanan absolut disebut vacuum (hampa), Pabs = −Pg + Patm Pg = Patm − Pabs



Rapat massa dan volume spesifik Rapat massa (ρ ) 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 25°C 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 : (4 x6 x3)m 3 0,83 m 3 / kg



= 86 ,7 kg



Kalor spesifik Merupakan jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu satusatuan massa bahan tersebut sebesar 1°K. 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 82°C 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) (93-82°C) = 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 90°C dan entalpi 376,9 kJ/kg. Air keluar dari ketel berbentuk uap dengan suhu 100°C. 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. p1V1 = p2V2 = C 3.2



Hukum Boyle – Gay Lussac Pada suhu yang tidak tetap, hasil perkalian tekanan dan volume dibagi suhu absolut adalah konstan. p1V1 p2V2 = =C T1 T2



3.3



Persamaan Clapeyron (hukum gas ideal) Model idealisasi dari perilaku gas yang berhubungan dengan tekanan, suhu dan volume spesifik suatu gas ideal memenuhi : pv − RT = 0 atau pv = RT 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: pV = GRT 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 25°C? Penyelesaian : rapat massa ρ adalah kebalikan dari harga volume spesifik v, jadi : ρ=



p 1 101000 Pa = = v R.T (287 J / kg .K )( 25 + 273 K )



= 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 = m



dV , dt



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 dipindahpindahkan



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 :



0 dm 0 + m 2 − m1 = 0 dt



Bila laju perubahan massa di dalam sistem adalah nol ; dm =0 dt



0



0



dan m 2 = m1



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 :



0    V12 V 22    m h1 + + gz1  + q = m h2 + + gz 2  + W ; dengan : 2 2     0



0



m



= 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 10°C menjadi 4°C, 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 4°C, h = 16,8 kJ/kg dan untuk 10°C, h = 41,99 kJ/kg. Maka 0



q = m (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. E = mgh 5.2



Energi mekanik kinetik. Merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda yang memiliki kecepatan. E=



5.3



1 mC 2 2



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). W = Fs



5.5 Panas (heat). adalah bentuk lain pula dari energi. Panas didefinisikan sebagai energi yang mengalir dari suatu tempat ke tempat lain karena adanya perbedaan suhu. Q = mc∆t 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. p1v = RT1 p2v = RT2 p1 p2 = T1 T2



Oleh karena v tidak berubah maka:



dq = du = Cv dT Perubahan energi dalam : ∆u = u2 − u1 = Cv (T2 − T1 ) Perubahan entalpi : ∆i = i1 − i2 = Cp(T2 − T1 ) kkal / kg Perubahan entropy : T2



dT T = Cv ln 2 T T1 T1



∆s = Cv ∫



kkal / kg



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:



pV 1 = RT 1 ; pV 2 = RT 2



V1 V2 = T1 T2 V2 T2 = V1 T1 Perubahan energi dalam selama proses tersebut: ∆u = Cv(T2 − T1 ) 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 p1 v 2 = p2 v2



Diagram isothermal



8.



Hukum II Termodinamika



p-v



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. 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



η



=



th



∆W net QA



=



Q A − QR ; Jadi Effisiensi termal siklus QA



Carnot η c adalah η



= 1−



c



QR QA



Di dalam diagram T-S pemberian panas ditunjukkan sebagai garis lurus 2-3 dan jumlah panas yang diterima q1, sebesar q1 = T H ( s 3 − s 2 )



sedangkan panas yang dilepaskan q2 adalah sebesar q 2 = TL ( s 4 − s1 ) = T L ( S 3 − S 2 )



Efisiensi thermal proses Carnot menjadi : q2 q1



ηt = 1 − =1 −



ηt = 1 −



T L ( s 3 −s 2 ) T H ( s 3 −s 2 )



T2 T1



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 1000°C menjadi 1 atm. Suhu keluar adalah 400°C. 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 (1000°C - 400°C) = 600 kJ/kg



merujuk pada table 1-3 dan gambar 1-9a….(instalasi hal.23) T2 s  P2  =   T1  P1 



( k −1) / k



(1, 4 −1) / 1, 4



T2 s 1  =  (1000 ) 10 



atau



Jadi T2s = 500°C η



9.



T



=



h1 − h2 s T1 − T2 s = h1 − h2 T1 − T2



=



1000 − 500 = 0,83 = 83% 1000 − 400



(untuk cp konstan)



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;



ηt = 1 −



q2 q1



q1 = cp (T3 −T2 ) ⇒ tekanan konstan



q2 = cp (T4 − T1 ) ⇒ tekanan konstan



ηt = 1 −



T4 − T1 T3 − T2



10. 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 :



ηt =



q1−q2 ; dimana : q1



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 23. Ini sama dengan selisih entalpi uap keluar



turbin 2 dengan



entalpi air masuk economiser 3. Sehingga effiensi thermal Siklus Rankine dapat dinyatakan dengan :



ηt =



(i1 − i3 ) − (i2 − i3 ) panas yang berguna = panas yang masuk (i1 − i3 )



=



i1 − i2 % i1 − i3



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.