siklus tenaga uap
DESCRIPTION
vapor cycleTRANSCRIPT
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 9
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. 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.
1
Pompa
Kondensor
2 3
TurbinpηpW&
4
tη
netW&
+
-
Generator
Cooling
towerPompa
Cerobong
Bahan bakar
Boiler
Gambar 1 Sistem pembangkit tenaga uap
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.
II. STU Sederhana
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.
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 10
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.
netW&
tηpη
inQ&
outQ&
pW&
Gambar 2 Komponen STU sederhana
Entropi konstan
Gambar 3 Diagram P-h dan T-s STU
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.
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 ( 1p ) ke tekanan boiler
( 2p ). Jika kehilangan panas ke lingkungan diabaikan, pada
kondisi steady, kerja pompa dapat dituliskan dengan
persamaan berikut:
)( 12 hhmWp −= && (1)
Dimana m& [kg/s] adalah laju aliran fluida kerja dan
h [kJ/kg] adalah entalpi dari fluida kerja pada masing-
masing kondisi yang diberikan.
Pada proses ideal (isentropik), kerja pompa ini dapat
dinyatakan dengan persamaan:
( )121 ppvmWps −×≈ && (2)
Proses kompresi pada pompa ini sebenarnya tidak secara
isentropis, tetapi ada penyimpangan yang dinyatakan
dengan efisiensi isentropis pompa dan dirumuskan:
sp
ps
p
WW
η
&& = (3)
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:
( )23 hhmQi −= && (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
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 11
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:
( )43 hhmWt −= && (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.
Gambar 4 Proses aktual pada turbin dan pompa
Pada proses isentropik, kerja yang dilakukan turbin
dapat dihitung dengan persamaan:
( )sts hhmW 43 −= && (6)
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.
ts
tst
W
W
&
&
=η (7)
Persamaan (5), (6), dan (7) dapat digabungkan untuk
mendapatkan nilai entalpi aktual uap keluar dari turbin
( 4h ).
( )( )s
thh
hh
43
43
−
−=η (8)
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
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:
( )14 hhmQo −= & (9)
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:
outtpin QWWQ &&&& +=+ (10)
Persamaan ini mempunyai 4 komponen energi yang dapat
digolongkan atas 2 bagian, yaitu energi bertentuk panas
( inQ& dan outQ& ) dan energi berbentuk kerja pW& dan tW& .
Biaya yang harus dibayar dalam mengoperasikan sebuah
STU adalah inQ dan kerja pompa pW& . Kemudian energi
yang dipanen dari STU adalah kerja turbin, sementara
panas dari kondensor adalah terbuang ke lingkungan.
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:
ptnet WWW &&& −= (11)
� Efisiensi thermal
Efisiensi ini didefenisikan sebagai perbandingan kerja
netto yang dihasilkan STU dengan energi panas yang
masuk sistem.
in
netth
Q
W&=η (12)
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.
t
p
W
Wbwr
&
= (13)
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
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 12
P-h, dan (3) menggunakan Perangkat lunak. Salah satu dari
metode itu atau gabungannya dapat digunakan. Metode
mencari sifat-sifat ini telah direview 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
Penyelesaian:
Diketahui =1p 0,01MPa(0,1bar) dan =2p 10MPa(100bar),
kondisi masuk fluida ke turbin adalah uap saturasi, kondisi
keluar kondensor adalah cair saturasi, dan =inQ 500 MW.
Ditanya: (a) m& , (b) tW& , (c) pW& , (d) outQ , (e) netW& , (f)
thη , (g) bwr, (h) 3T dan 4T
Dari data yang diberikan ini, maka diagram P-h dari STU
ini ditampilkan pada gambar berikut.
pW&
tW&
3h1h
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.
=1h 191,83kJ/kg, == fss1 0,6493kJ/kgK,
=gs1 8,1502kJ/kgK, dan =1v 1,0102 310−× m
3/kg.
� Entalpi di titik 2, harus dicari dengan menggunakan
proses isentropik pada pompa. Dengan
menggabungkan persamaan (1) dan persamaan (2),
pompa isentropis psp WW && =
( )12112 ppvhh s −+=
( ) kPa1001,010kg
m100102,183,191 3
33
×−×+=
−
92,201= kJ/kg
Catatan: Satuan tekanan harus disesuaikan.
� Entalpi titik 3 dapat langsung dicari, yaitu kondisi
uap saturasi pada tekanan 10 MPa (100bar)
=3h 2724,7kJ/kg, dan =3s 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.
( )fgf ssxss −+=4
Karena 34 ss = (Proses isentropik), maka:
)6493,01502,8(6493,06141,5 −+= x
66,0=x
Maka:
( )fgfs hhxhh −+=4
( ) 65,177583,1917,258466,083,191 =−+= kJ/kg
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):
s
kg2,198
kJ/kg
kW
201,92)-(2724,7
000.500
23
==−
=s
i
hh
Qm
&
&
b. Kerja turbin dihitung dengan menggunakan
persamaan (5):
( ) kW188095kg
kJ65,17757,2724
s
kg2,198 =−=tW&
atau 188 MW
c. Kerja Pompa dihitung dengan menggunakan
persamanan (1)
( ) kW15,2000kg
kJ83,19192,201
s
kg2,198 =−=pW&
atau 2 MW
d. Panas yang dibuang kondensor
( )
313,9MW3905W31
kg
kJ83,19165,1775
s
kg19,198
≈=
−=outQ&
e. Kerja netto Turbin
186MWkW1860952000188095 ≈=−=netW&
f. Efisiensi Thermal
%2,37500
186==thη
g. Back work ratio, bwr
%06.1188
2==bwr
h. Temperatur fluida masuk dan keluar turbin dapat
dilihat pada tabel saturasi.
=3T 45,810C (Temp. saturasi pada tekanan boiler)
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 13
=4T 311,10C (Temp. saturasi pad tekanan kond.)
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 berikut.
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
Penyelesaian:
Diketahui =1p 0,01MPa dan =2p 10MPa, kondisi masuk
turbin uap saturasi, kondisi keluar kondensor cair saturasi,
9,0=psη , 85,0=tsη , dan =inQ 500 MW.
Ditanya: (a) m& , (b) tW& , (c) pW& , (d) outQ , (e) netW& , (f)
thη , (g) bwr, (h) 3T dan 4T
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:
=1h 191,83kJ/kg , 92,2012 =sh kJ/kg, 7,27243 =h kJ/kg,
dan 65,17754 ==sh kJ/kg.
� Dengan menjabarkan defenisi efisiensi isentropik
pompa pada persamaan (3), 2h dapat dicari
( ) ( )
sp
s
sp
ps
p
hhmhhm
WW
ηη12
12
−=−⇔=
&&
&&
9,0
83,19192,20183,19112
12
−+=
−+=
sp
s hhhh
η
04,2032 =h kJ/kg
� Entalpi aktual fluida keluar turbin dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan (8).
( ) 01,19184334 =−−= st hhhh η kJ/kg
Perhitungan pada semua pertanyaan dapat dilakukan, dan
hasilnya adalah sebai berikut:
(a) 28,198=m& kg/s, (b) 95,159=tW& MW, (c)
22,2=pW& MW, (d) 27,342=outQ MW, (e)
73,157=netW& MW, (f) 6,31=thη %, (g) bwr = 1,39%, (h)
4,1703 =T 0C dan 51,414 =T 0
C.
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.
III. Modifikasi STU
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:
th
inQη
1= (MW) (13)
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.
3.1 Superheat dan Reheat
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
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 14
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.
tW&
inQ&
outQ&
pW&
Gambar 5 STU dengan reheat
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.
Gambar 6 Diagram T-s STU ideal
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
pertama adalah superheat dengan temperatur 480oC,
kemudian keluar pada tekanan 1MPa. Kemudian fluida
keluar turbin pertama dipanaskan kembali (reheat) dan
masuk turbin 2 pada temperatur 400oC. 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
Penyelesaian:
Diketahui =1p 0,01MPa, =2p 10MPa, dan tekanan antara
=4p 1.MPa. Kondisi masuk turbin 1 superheat 480oC,
kondisi masuk turbin 2 superheat 400oC dan keluar
kondensor cair saturasi.
Ditanya: (a) m& , (b) tW& , (c) pW& , (d) outQ , (e) netW& , (f)
thη , 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.
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 15
Langkah pertama yang harus dilakukan adalah melengkapi
entalpi di setiap titik.
� Tititk 1 dan Titik 2s telah dibuat caranya pada contoh
soal sebelumnya.
=1h 191,83kJ/kg , 92,2012 =sh kJ/kg
� Titik 3: kondisinya adalah superheat pada temperatur
480oC dan temperatur saturasinya 311,1
oC (10 MPa).
=3h 3321,4 kJ/kg dan =3s 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.
1387,24 =fs kJ/kgK, 5863,64 =gs kJ/kgK
81,7624 =fh kJ/kg, 1,27784 =gh kJ/kg
Kualitas uap di titik 4s: (isentropik 34 ss = )
9869,044
43=
−
−=
gf
g
ss
ssx
Dengan menggunakan kualitas ini, maka entalpi dapat
dicari:
=−+= )( 4444 fgfs hhxhh 2751,774kJ/kg
� Titik 5: kondisi superheat pada temperatur 400oC dan
temperatur saturasinya 179,9oC (1 MPa).
=5h 3263,9 kJ/kg dan =5s 7,4651 kJ/kgK
� Titik 6: proses isentropik dari titik 5 sampai kondisi
saturasi pada tekanan kondensor 0,1 MPa.
6493,06 =fs kJ/kgK, 1502,84 =gs kJ/kgK
83,1914 =fh kJ/kg, 7,25844 =gh kJ/kg
Kualitas uap di titik 6s: (isentropik 65 ss = )
908,066
65=
−
−=
gf
g
ss
ssx
Dengan menggunakan kualitas ini, maka entalpi dapat
dicari:
=−+= )( 6666 fgfs hhxhh 2366,146kJ/kg
Langkah kedua: Analysis masing-masing komponen
� Boiler memanasi fluida dua kali, maka:
)()( 4523 ssin hhmhhmQ −+−= && , atau:
68,137)()( 4523
=−+−
=ss
in
hhhh
Qm
&
& kg/s
� Turbin, karena ada 2, maka harus dihitung masing-
masing:
78426)( 431 =−= sts hhmW && kW
123603)( 652 =−= sts hhmW && kW
� Pompa:
1389)( 12 =−= hhmW sps&& kW
� Kondensor:
299360)( 16 =−= hhmQ sout&& kW
� Performansi:
Kerja netto turbin:
200640=netW& kW = 200MW
68,0=bwr %
13,40==in
netth
Q
W
&
&
η %
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.
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
pertama adalah superheat dengan temperatur 480oC,
kemudian keluar pada tekanan 1MPa. Kemudian fluida
keluar turbin pertama dipanaskan kembali (reheat) dan
masuk turbin 2 pada temperatur 400oC. 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
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.
Data yang sudah didapat dari contoh soal No 3 adalah:
=1h 191,83kJ/kg , 92,2012 =sh kJ/kg, =3h 3321,4 kJ/kg,
=sh4 2751,774kJ/kg, =5h 3263,9 kJ/kg, dan
=sh6 2366,146kJ/kg.
Dengan menggunakan defenisi isentropik pada pompa dan
pada turbin, entalpi pada titik 2, titik 4, dan titik 6 dapat
dicari.
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 16
• =−
+=ps
s hhhh
η
)( 1212 203,04 kJ/kg
• ( ) =−−= sts hhhh 4334 η 2837,22 kJ/kg
• ( ) =−−= sts hhhh 6556 η 2500,81 kJ/kg
Analysis pada masing-masing komponen akan memberikan
(a) =m& 141,04 kg/s,
(b) 17591810762868290 =+=tW& kW,
(c) 54,1581=pW& kW, (d) 4,325663=outQ kW,
(e) 6,174336=netW& kW,
(f) %87,34=thη , 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.
Gambar 7 Proses yang terjadi pada boiler STU sederhana
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.
3.2.1. STU dengan Regenerasi sistem Terbuka
Sebuah STU yang dilengkapi dengan regenerasi
ditampilkan sistem terbuka ditampilkan pada Gambar 8.
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 r−1 dan
yang masuk pompa kedua adalah 1. Fakta ini akan
digunakan saat melakukan analysis termodinamika.
tW&
inQ&
outQ&
1pW&
2pW&
r
r−1
1=m&
Gambar 8 STU dengan regenerasi sistem terbuka
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.
m&
mr &)1( −
mr &
Gambar 9 Diagram T-s STU dengan regenerasi terbuka
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 17
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
yang masuk ke turbin 1 adalah, m& dan bagian yang
diekstrak adalah r yang masuk ke turbin 2 adalah sisanya.
Hukum kekekalan energi pada pemanas ini menjadi:
263 )1( hmrhmrhm &&& −+= (14)
Dengan menyelesaiakan persamaan ini, maka nilai r dapat
dihitung dengan persamaan:
26
23
hh
hhr
−
−= (15)
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.
mr &
mr &)1( −
m&
Gambar 10 Hukum kekekalan massa dan energi pada
pemanas air umpan sistem berbuka
Boiler:
)( 45 hhmQin −= && (16)
Turbin:
Karena ada dua, maka kerja yang dihasilkan masing-
masing turbin dapat dihitung dengan persaman berikut:
)( 651 hhmWt −= && (17)
)()1( 762 hhmrWt −−= && (18)
Kondensor:
)()1( 17 hhmrQout −−= && (19)
Pompa:
Pada STU ini ada dua pompa, dan masing-masing
kebutuhan dayanya dihitung dengan persamaan:
)()1( 121 hhmrWp −−= && (20)
)( 342 hhmWp −= && (21)
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.
Contoh 5 STU dengan Regeneratif sistem terbuka
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
pertama adalah superheat dengan temperatur 480oC. 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
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 01,01 =p MPa,
12 =p MPa, =4p 10MPa.
Berikut entalpi pada masing-masing titik.
• Titik 1: =1h 191,83kJ/kg, == fss1 0,6493kJ/kgK,
=gs1 8,1502kJ/kgK, dan =1v 1,0102 310−× m
3/kg.
• Titik 2: Pemompaan isentropis ke tekanan =2p 1 MPa
( ) 83,19212112 =−+= ppvhh s kJ/kg.
94,192)( 1212 =−+= pss hhhh η kJ/kg
• Titik 3: cair saturasi pada tekanan == 23 pp 1MPa
81,7623 =h kJ/kg dan3
3 101273,1 −×=v m3/kg
• Titik 4: Pemompaan isentropis ke tekanan =4p 10
MPa
( ) 9557,77234334 =−+= ppvhh s kJ/kg.
083,774)( 3434 =−+= pss hhhh η kJ/kg
• Titik 5: Superheat 10=p MPa dan temperatur 4800C.
4,33215 =h kJ/kg dan 5282,65 =s kJ/kgK
• Titik 6: Pada kondisi saturasi:
1387,26 =fs 81,7626 =fh , 5863,66 =gs , dan
1,27786 =gh .
Kualitas uap di 6s jika 56 ss =
9869,066
65
6 =−
−=
fg
f
sss
ssx Maka entalpi di 6s:
774,2751)( 66666 =−+= fgsfs hhxhh kJ/kg
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 18
Sementara proses aktualnya dgn 85,0=tsη
218,2837)( 6556 =−−= sts hhhh η kJ/kg
Dengan entalpi sebesar ini ( gh6> ) maka titik 6 sudah
berada di daerah superheat atau di luar garis saturasi.
Entropi di titik 6 dapat dicari pada tabel superheat.
h [kJ/kg] s [kJ/khK]
2827,9 6,694
2837,22 =6s ?
2920,4 6,8817
713,66 =s
(Cara
menginterpolasi
ada di bawah)
)9,282722,2837()9,28274,2920(
)694,6881,6(694,66 −×
−
−+=s
• Titik 7: Dengan cara yang sama saat menentukan
entalpi titik 6, dapat dilakukan untuk titik 7 ( 67 ss = ).
808,07 =sx , 19,21267 =sh kJ/kg , dan
84,22327 =h kJ/kg
Analysis pada masing-masing komponen dapat dilakukan.
a. Boiler 285,196)( 45
=−
=hh
Qm in
&
& kg/s
Perbandingan massa yang diekstrak, gunakan
persamaan (15), maka 21551,0=r .
Massa yang diekstrak 301,42==′ rmm& kg/s
Massa yang lanjut ke turbin 2 dan kondensor
984,153)1(2 =−= mrmt& kg/s
b. Kerja Turbin:
69,950371 =tW& kW dan 86,930632 =tW& kW
c. Kerja Pompa
11,1711 =pW& kW dan 72,22122 =pW& kW
d. Kerja netto turbin: 7,185717=netW& kW
e. Efisiensi Thermal: %14,37=thη
f. bwr : %2,1=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.
3.2.2. STU dengan Regenerasi sistem Tertutup
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.
tW&
inQ&
outQ&
pW&
mr &
mr &)1( −
m&
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.
m&
mr &)1( −
mr &
Gambar 12 Diagram T-s STU dengan Regenerasi Sistem
Terbuka
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:
3725 hmhmrhmhmr &&&& +×=+× (22)
Dimana r adalah rasio dari fluida ydang diekstrak dari
turbin. Persamaan ini dapat diubah menjadi:
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 19
75
23
hh
hhr
−
−= (23)
Dengan mengetahui nilai dari r maka analysis
termodinamika dapat dilanjutkan.
mr &
m& Gambar 13 Hukum kekekalan energi pada pemanas air
umpan sistem tertutup
3.3 Modifikasi STU Gabungan Reheat dan Regenerasi
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 pada HE2.
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
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.
1
2
3
4
Turbin
Boiler
inQ&
KondensoroutQ&
2pW&
5
6
1pW&
7
8
9
10
11
12
13
14
15
17
19
Pompa
16
18
20
tW&
Dearator pemanas
terbuka
HE1
HE2
HE3
21
Gambar 13 STU dengan gabungan regenerasi dan reheat
mr &1
m&
mr &2
mr &3
mr &4
mrrrr &)1( 4321 −−−−
Gambar 14 Diagram T-s STU dengan gabungan regenerasi
dan reheat
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 20
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.
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
superheat dengan temperatur 480oC. 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
masing-masing adalah 81,33oC, 212,4
oC, dan 260
oC. 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
Penyelesaian:
Diketahui sebuah STU dengan modifikasi gabungan
superheat dan regenerasi seperti pada Gambar 13 dan
Gambar 14.
Ditanya: (a) m& , (b) tW& , (c) pW& , (d) outQ , (e) netW& , (f)
thη , 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 masing-
masing ekstraksi ditampilkan pada bagan berikut:
12
8
15s
T
s
12
Tsup1(480oC)
Tsup2(400oC)
13
15
3 14
45
6
7
9
10
110,1 bar (45,8oC)7,5bar (167,7oC)15 bar30bar(233,9oC)60 bar (275,6oC)100 bar (311,1oC)1bar (99,63oC)
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).
=1h 191,83 =8h 3321 =15h 2426
=2h 192,94 =9h 3191 =16h 1214
=3h ? =10h 3034 =17h 1214
=4h 709,0 =11h 2896 =18h 1009
=5h ? =12h 3255 =19h 1009
=6h ? =13h 3089 =20h 417,9
=7h ? =14h 2724 =21h 417,9
Titik yang lain dapat dicari dengan menggunakan data
tambahan yang diberikan soal.
• Titik 3: cairan dengan tekanan 7,5 bar ( 432 ppp == )
dan temperatur 81,33oC. Untuk mencari entalpi cairan
bertekanan ini, dapat digunakan persamaan yang sudah
dijelaskan pada bab 1.
)( satff ppvhh −+=
Dimana data dicari pada temperatur saturasi 81,33oC
didapat: =satp 0,5bar, =fh 340,49kJ/kg, dan
=fv 1,03310−× m
3/kg. Maka:
211,341)50750(1003,149,340 33 =−×+= −h kJ/kg
• Dengan cara yang sama titik 6 dan titik 7 dapat di cari.
=6h 918,2 kJ/kg dan =7h 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
11,7195 =sh kJ/kg dan 23,7205 =h kJ/kg
Sampai di sini semua entalpi sudah didapat, lankah
berikutnya adalah menentukan bagian dari fluida kerja
yang diekstrak.
• Pemanas sistem tertutup HE3
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 21
6hm&
7hm&
91 hmr &
161 hmr &
Hukum kekekalan energi:
1617916 hmrhmhmrhm &&&& +=+
112783,0169
671 =
−
−=
hh
hhr
• Pemanas sistem tertutup HE2
182161711025 )( hmrrhmhmrhmrhm &&&&& ++=++
Atau:
1810
171518162
hh
hrhhrhr
−
−−+=
086347,02 =r
5hm&
6hm& 171 hmr &
102 hmr &
1821 )( hmrr &+
• Pemanas sistem terbuka: Deaerator
4hm&
1921 )( hmrr &+
3321 )1( hmrrr &−−−
133 hmr &
419211333321 )()1( mhhmrrhmrhmrrr ++=+−−− &&&
atau
085455,0)()1(
313
192133213 =
−
+−−−−=
hh
hrrhrrrr
• Pemanas sistem tertutup HE1
Misalkan: 3211 rrrrx −−−=
Maka:
20431442 hmrhmrhmrhmr xx&&&& +=+
Atau:
046289,0)(
2014
234 =
−
−=
hh
hhrr x
2hmrx&
3hmrx&
144 hmr &
204 hmr &
Sekarang analysis dapat digunakan
a. Laju aliran massa fluida yang melewati boiler dan
masuk ke turbin tingkat 1 ( m& )
)()1()( 11122178 hhmrrhhmQin −−−+−= &&&
Karena =inQ& 500MW, maka =m& 202,6476kg/s
b. Kerja masing-masing tingkat turbin:
=−= )( 981 hhmWt&& 26344kW
=−−= )()1( 10912 hhmrWt&& 28227kW
=−−−= )()1( 1110213 hhmrrWt&& 22397kW
=−−−= )()1( 1312214 hhmrrWt&& 26941kW
=−−−−= )()1( 14133215 hhmrrrWt&& 52917kW
=−−−−−= )()1( 151443215 hhmrrrrWt&& 40408kW
c. Kerja masing-masing pompa
=−−−−= )()1( 123211 hhmrrrWp& 24,65kW
=−= )( 452 hhmWp& 2275,6kW
d. =outQ 305066,6kW
e. =netW 194933,3kW
f. =thη 38,98%
g. bwr=1,16%
IV. Siklus Rankine Organik
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
pembakaran dengan temperatur sekitar 150oC, (2) sumber
air panas yang keluar dari perut bumi sekitar 100oC, (3)
energi surya yang masih efisien jika ditangkap (collect)
sekitar 100oC. 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.
Contoh 7 Siklus Rankine Organik
Di bawah permukaan tanah, pemandian "Aek Rangat" di
Sipoholon, jika digali pada kedalaman 10 m, temperatur
airnya dapat mencapai 120oC. 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
akan keluar dari boiler pada kondisi superheat 100oC.
Kondensor SRO ini didinginkan oleh air sungai sehingga
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 22
terjadi kondensasi pada temperatur 30oC. 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:
netW&
tη
outQ&
pW&
pη
Diketahui: Fluida kerja R134a, 32 =P MPa, =3T 100
oC,
=4T 30oC, =inQ 100kW, =tsη 0,85, dan =psη 0,9.
Diagram T-s siklus ini ditunjukkan pada gambar berikut:
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.
• Titik 1: cair saturasi pada 30oC.
=1h 241,65kJ/kg =1s 1,1432kJ/kgK,
=1ρ 1187,2 m3/kg, dan =1p 0,77MPa
• Titik 2s: Pemompaan isentropis sampai tekanan
== 32 pp 3 MPa
11212 )( ρpphh s −+=
53,2432,1187)7703000(65,2412 =−+=sh kJ/kg
74,243)( 12
12 =−
+=ps
s hhhh
ηkJ/kg
• Titik 3: Superheat pada 100oC
2,4533 =h kJ/kg dan =3s 1,7455 kJ/kgK
• Titik 4s: Ekspansi isentropik pada turbin
Pada tekanan kondensor, nilai entropi uap adalah
sebesar =gs 1,7149. Nilai ini lebih kecil dari entropi
di titik 3 ( 3s ). Artinya titik 4s tidak berada di dalam
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.
Maka titik 4s dapat dicari dengan membandingkan
entropi dan entalpi.
1
14
1
14
hh
hh
hh
hh
g
s
g
s
−
−=
−
− didapat =sh4 424,215kJ/kg
Proses ekspansi aktual menjadi
=−−= )( 4334 sts hhhh η 428,56kJ/kg
ii. Setelah semua entalpi diperoleh, sekarang analysis pada
masing-masing komponen dapat dilakukan.
a. Evaporator : 4774,0)( 23
=−
=hh
Qm in
&
& kg/s
b. Kerja pompa: 99,0)( 12 =−= hhmWp&& kW
c. Kerja Turbin: 762,11)( 43 =−= hhmWt&& kW
d. Efisiensi thermal: =−
=in
pt
thQ
WW
&
&&
η 10,76%
e. bwr = 8,47%
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
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 23
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).
V. Analysis Exergi STU
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.
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 1127oC dan setelah melewati pipa
boiler keluar melalui cerobong dengan temperatur 327oC.
Untuk mendinginkan kondensor digunakan air laut yang
tersedia pada temperatur 26oC, setelah mendinginkan
kondensor air laut keluar pada temperatur 40oC. Jika
efisiensi isentropi pompa dan turbin masing-masing 90%
dan 85%, sementara T0=25oC dan po=1Atm. Tentukanlah:
(a) laju penghancuran exergi pada masing-masing
komponen, (b) efisiensi exergi pada Boiler dan pada
Kondensor
netW&
tη
pηpW&
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: =1h 191,83kJ/kg,
=2h 203,04kJ/kg, =3h 2724,7kJ/kg, =4h 1918,01kJ/kg,
dan =m& 198,28kg/s. Kemudian entropi yang langsung
diketahui adalah: =1s 0,6493kJ/kgK dan
=3s 5,6141J/kgK. Sementara 2s harus dicari dengan
menginterpolasi dua kali tabel A5 atau menggunakan
software IT. Dengan mengetahui 2h dan 2p didapat
=2s 0,6839kJ/kgK. Sementara entropi titik 4 dapat dicari
dengan perbandingan berikut:
=−+= )( 114 ssxss g 6,06 kJ/kgK
Dimana x adalah kualitas uap, dicari dengan perbandingan
entalpi dan gs adalah entropi uap jenuh pada tekanan
kondensor. Perhitungan exergi dilakukan dengan kondisi
dead-zone T0=25oC ( 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:
=−= )(E 120d ssTm f&& 2,04MW
• Boiler:
Diagram boiler ditampilkan pada gambar berikut.
fm&2h 3h
am&
ih
eh
Di sini ada dua aliran fluida, yaitu (1) aliran fluida kerja
dan (2) aliran udara panas. Laju aliran exegi pada masing-
masing aliran ini dapat dihitung dengan persamaan berikut:
(1) Aliran fluida kerja
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 24
( ) 684,208][E 23023 =−−−= ssThhm ff&& MW
(2) Aliran udara
Harus dicari dulu laju aliran udara pemanas dengan
menggunakan hukum kekekalan energi
)( eiain hhmQ −= &&
Dimana ih dan eh adalah entalpi udara panas masuk dan
keluar. Nilai ini dicari dengan menggunakan Tabel A5,
hasilnya =ih 1515,42kJ/kg dan =eh 607,02 kJ/kg. Maka:
=−
=)02,60742,1515(
000.500am& 505,42 kg/s
( )][E 000 ieieaa ssThhm −−−= &&
Dimana ieie ssss −=− 00adalah entalpi udara panas.
Nilainya sama karena tekanan adalah 1 atm. Dengan
menggunakan data Tabel A22 diperoleh: =is 3,362
kJ/kgK dan =es 2,409kJ/kgK. Maka:
( ) =−−−= ][E 0 ieieaa ssThhm&& -343,687 MW
Tanda negatif menyatakan exergi udara pembakaran
berkurang. Dengan kata lain kualitas energi dari aliran
udara berkurang.
Laju penghancuran exergi pada boiler menjadi:
=+= af EEdE B&&& -135 MW
Efisiensi exergi didefenisikan sebagai besarnya energi yang
berguna dibagi yang masuk. Pada kasus ini yang berguna
adalah pengurangan exergi pada aliran fludi kerja.
%72,60687,343
684,208E ==η
• Turbin:
Pada turbin hanya ada 1 aliran fluida, maka laju
penghancuran exergi dihitung dengan persaman:
37,26)(E 340d =−= ssTm f&& MW
• Kondensor:
Diagram aliran pada kondensor ditampilkan pada gambar
berikut:
cwm&
Karena aliran ada 2, maka masing-masing mempunyai laju
aliran exergi:
(1) Aliran fluida kerja
( ) 54,22][E 41041 −=−−−= ssThhm ff&& MW
(2) Aliran air pendingin
Harus dicari dulu entalpi dan entropi air pendingin pada
temperatur 26oC dan 40
oC. Gunakan tabel saturasi:
=wih 109,07 kJ/kg, =wis 0,3814 kJ/kgK
=0wh 167,57 kJ/kg, =0ws 0,5725 kJ/kgK
Hukum kekalan energi pada kondensor:
( ) )( 014 wiwwf hhmhhm −=− &&
Maka didapat =wm& 5850,73 kg/s.
Laju exergi pada air pendingin
( ) 08,9][E 000 =−−−= wiwwiwww ssThhm&& MW
Maka laju penghancuran exergi menjadi:
=+= wf EEdE K&&& 13,461MW
Efisiensi exergi pada kondensor:
%29,4054,22
08,9E ==η
Soal Latihan
1. 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
300oC. 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 450oC, kemudian keluar pada
tekanan 10 bar. Kemudian fluida keluar turbin pertama
dipanaskan kembali (reheat) dan masuk turbin 2 pada
temperatur 420oC. 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
450oC. 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
Ketel Uap Prepared by:
Himsar AMBARITA
Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU 25
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. Sebuah STU dengan mengguakan teknik reheat-
regenerative dengan dua pemanas air umpan (satu
sistem terbuka dan satu lagi sistem tertutup). Uap
memasuki turbin tingkat pertama pada kondisi 100bar
dan temperatur 480oC dan keluar pada tekanan 8 bar.
Kemudian uap dipanaskan lagi (reheat) sampai
temperatur 420oC 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.
Turbin
Boiler
inQ&
Kondensor
outQ&
2pW&
1pW&
Pompa
tW&
Pemanas terbuka
HE
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
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
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.
1
23
4
Pompa
Turbin 1tW&
tη
pη
Heat Exchanger
1pW&
Boiler
Pompa
Turbin 2tW&
tηpη
2pW&
Kondensor
Siklus
R134a
Siklus
H2O
Proses
produksi
Pada gambar, 10 kg/s uap air superheat 60bar 450
oC
diekspansikan pada turbin ( 85,0=tsη ) sampai
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
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.