Eka Yawara, T. Mesin STTNAS

SIKLUS DAYA UAP

Siklus daya uap adalah siklus yang fluida kerjanya mengalami perubahan fase. Siklus Uap Carnot • Siklus Carnot adalah siklus paling efisien yang beroperasi di antara dua level temperatur • Tetapi siklus Carnot bukan merupakan model yang cocok untuk siklus daya

Siklus Carnot Aliran Steady di Dalam Kubah Jenuh

• 1-2: Fluida dipanasi secara reversibel dan isotermal di dalam boiler • 2-3: Fluida diekspansi secara isentropis di dalam turbin • 3-4: Fluida diembunkan secara reversibel dan isotermal di dalam kondenser • 4-1: Fluida dikompresi secara isentropis oleh kompresor kembali ke kondisi 1.

T [C]

600 500 400 300 200 100 0

Carnot Vapor Cycle Using Steam

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

s [kJ/kgK]Efisiensi termal siklus ini adalah Wnet Q out η== 1−

th, Carnot QQin in

T = 1− L

TH Perhatikan pengaruh TH dan TL terhadap ηth, Carnot.

• Semakin besar TH

semakin besar ηth, Carnot

• Semakin kecil TL

semakin besar ηth, Carnot

Proses-proses dalam siklus Rankine idealProses Uraian

1-2 Komprresi isentropik oleh pompa2-3 Penambahan kalor pada tekanan konstan oleh boiler3-4 Ekspansi isentropik oleh turbin

4-1 pembuangan kalor pada tekanan konstan dalam kondenser

Siklus Rankine Siklus Rankine sederhana memiliki layout komponen yang sama dengan siklus Carnot. Siklus Rankine sederhana melanjutkan proses kondensasi 4-1 hingga garis cair jenuh tercapai.

Proses-proses dalam siklus Rankine idealProses Uraian

1-2 Komprresi isentropik oleh pompa2-3 Penambahan kalor pada tekanan konstan oleh boiler3-4 Ekspansi isentropik oleh turbin

4-1 pembuangan kalor pada tekanan konstan dalam kondenser

Berikut ini adalah komponen untuk mesin kalor dengan siklus daya uap.

Fluida kerja, uap air (air), menjalani siklus termodinamika dari 1-2-3-4-1.

Analisis Energi Siklus Rankine Ideal

• Empat komponen yang digunakan untuk mewujudkan siklus Rankine adalah alat-alat aliran-stedi, sehingga prosesn

stedi. •erubahan en

Keseimbangan Energi •

Keseimbangan energi di dalam pompa: =h2

-h1

�

wpump, in

•

eseimbangan energi di d

�qin

• Keseimbangan energi di dalam turbin: �w =h3-h=h -

h4

�wturbine, out

• Keseimbangan energi di dal

�

qout

=

h4

-

h1

•eseimbangan ener

�(qin-q )=0 out) -(wturbine, out -wpump, in

• Kerja netto yang dihasilkan dari siklus ini: �wnet ,out = wturbine, out -

wpump, in

Diagram T-s untuk siklus Rankine ditunjukkan oleh gambar berikut. Tunjukkan proses perpindahan kalor dan kerja pada diagram.

Rankine Vapor Power Cycle 500

Rankine Vapor Power Cycle 500

400

300

Pompa

Kerja pompa diperoleh dari konservasi massa dan energi untuk aliran-stedi tetapi mengabaikan perubahan energi potensial dan kinetik dan dengan menganggap pompa bersifat adiabatik dan reversibel.

m& 1 = m& 2

= m& &&&mh + W = mh 11 pump 22

&& ( − h )W = mh pump 21

Karena proses pemompaan melibatkan fluida inkompresibel, keadaan 2 dalam daerah compressed liquid kita gunakan metode kedua untuk menghitung kerja pompa atau Δhcompressed liquid, kita gunakan metode kedua untuk menghitung kerja pompa atau Δh. Perhatikan hubungan berikut:

dh = T ds + v dP

Karena proses pemompaan 1-2 idealnya adalah isentropik, ds = 0, maka:

Karena fluidanya inkompresibel maka diasumsikan

h2 diperoleh dari2h 1pump w h= +

kJ kJ

6.05 =

191.81 +

kg

kg

kJ197.86 =kg

v ≅ v1 = const . h

− h ≅ v ( P − P )2112 1

Kerja pompa dihitung dari && ( − h ) ≅ mv ( P − P )W = mh &

pump 21 121

&W w =

pump = v ( P − P )pump 12 1 m&

Menggunakan tabel uap ⎧ kJ h1 = hf =

191.81 ⎪P 1 = 10 kPa ⎫⎫ ⎪⎪ kP = 10 kP kg ⎬⎨ 3

Sat . liquid m⎭⎪v1 = vf = 0.00101

⎪kg ⎩

w = v ( P − P )pump 12 1

m 3 kJ = 0 00101 (6000 − 10 kPa 3 .)

kg mkPa kJ

= 6 05 .

Boiler

Untuk menghitung kalor yang disuplai ke boiler, kita gunakan konservasi massa dan energi aliran-stedi ke boiler. Jika energi potensial dan kinetik diabaikan, dan dengan memperhatikan bahwa tidak ada kerja yang dilakukan terhadap uap di dalam boiler, maka m & 2 =

m& 3 = m&

&& = mh &mh + Q

22 in 33

&& ( − h )Q = mh in 32

Kita dapati pada keadaan 3, dari tabel uap panas lanjut: ⎧ kJ h = 3043.9 ⎪ 3P3 = 6000 kPa ⎫⎪ kg ⎬⎨

T = 350 C kJ 3

o ⎭⎪ s3 = 6.3357 ⎪⎩ kg ⋅ K

Perpindahan kalor per satuan massa;

Q & in q == h − hin 32

m& kJ kJ = (3043.9

−197.86) kg kJ

= 2845.1 kg

Turbin

Kerja turbin diperoleh dari penerapan konservasi massa dan energi untuk aliran-stedi. Kita anggap prosesnya adiabatik dan reversibel dan mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial.

m& 3 = m&

4 = m& && + mh &mh = W33 turb 44

&& ( − h )W = mh turb 34

Dari tabel uap, kita dapati pada keadaan 4 bahwa s4= s3 = 6.3357 kJ/kg-K dan dengan mengajukan 3 pertanyaan sebagai berikut,

kJ kJ at P = 10 kPa : s = 0.6492 ; s = 8.1488 4 fg

kg ⋅ K kg ⋅ K is s 4 < sf ? is s < s < s ?

f 4 g

is s < s ? g 4

s = s + xs 4 f 4 fg

s4 − sf 6.3357 − 0.6492 x4 == = 0.758

s 7.4996 fg

h = h + xh 4 f 4 fg

kJ kJ = 191.81 + 0.758(2392.1) kg kg kJ

= 2005.0 kg

Kerja turbin per satuan massa adalah: w = h − h

turb34

= (3043.9 −

2005.0) kJ kg kJ

=

1038.9 kg

Kerja netto yang dihasilkan pada siklus ini adalah: w = w − w

net turb pump

= (1038.9 −

6.05) kJ kg kJ

= 1032.8 kg

Efisiens termalnya: kJ

1032.8 wnet kg ηηth == == q kJ

in 2845.1 kg = 0.363 or

36.3%

Beberapa cara untuk meningkatkan efisiensi siklus Rankine sederhana:

• Pemanasan lanjut uap Temperatur rata-rata lebih tinggi selama penambahan kalor. Embunan dikurangi pada sisi keluar turbin (diharapkan x4 > 85 %). • Naikkan tekanan boiler (untuk temperatur maksimum yang tetap) Ketersediaan uap air lebih tinggi pada tekanan yang lebih tinggi. Embunan meningkat pada sisi keluar turbin. • Menurunkan tekanan kondenser Energi yang hilang ke lingkungan lebih rendah. Embunan meningkat pada sisi keluar turbin. Tugas tambahan Untuk contoh di atas, carilah berapa kalor yang dibuang oleh siklus dan tentukan efisiensi termalnya dengan

net out ηth =

w = 1−

q q qin in

Siklus Daya Uap Aktual

• Siklus Daya Uap Aktual muncul karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada komponen-komponennya, yaitu:

Karena gesekan fluida Karena hilang

Irreversibilatas Pada Siklus Daya Uap

• Gesekan fluida: – Mengakibatkan penurunan tekanan di

generator uap, kondenser, pipa yang menghubungkan komponenkomponen –– Untuk mengkompensasi penurunan tekanan ini maka air

Untuk mengkompensasi penurunan tekanan ini maka air perlu dipompa pada tekanan yang lebih tinggi. • Kalor yang

hilang: Kalor terbuang dari uap terjadi pada pipa dan komponen Untuk mengkompensasi kalor yang hilang maka perlu menambahkan kalor pada generator uap

Efisiensi Adiabatis

SIKLUS DAYA UAP AKTUAL Siklus daya uap aktual berbeda dari siklus Rankine ideal disebabkan oleh irreversibilitas pada tiap komponen. Gesekan fluida dan hilangnya kalor ke lingkungan (surroundings) adalah 2 sumber irreversibilitas.

Efisiensi isentropis

(a) Deviasi siklus daya uap aktual dari siklus Rankine. (b) Pengaruh irreversibilitas pompa dan turbin pada siklus Rankine ideal.

BAGAIMANA MENINGKATKAN EFISIENSI SIKLUS RANKINE? Ide dasar di dalam memodifikasi untuk meningkatkan efisiensi siklus daya adalah sama: Naikkan temperatur rata-rata dimana kalor ditransfer ke fluida kerja, atau turunkan temperatur rata-rata di mana kalor dibuang dari fluida kerja di dalam kondenser.

Menurunkan tekanan kondenser (Tlow,avg

turun) Untuk mengambil keuntungan dari naiknya g gy temperatur pada tekanan rendah, kondenser biasanya beroperasi di bawah tekanan. Batas bawah tekanan ini tergantung pada temperatur media pendinginan. Efek samping: Penurunan tekanan kondenser ini akan menaikkan kandungan embun dari uap ketika keluar dari turbin.

Menaikkan temperatur uap panas lanjut (Menaikkan Thigh,avg)

Dengan menaikkan temperatur uap panas lanjut akan menaikkan kerja netto dan kalor input. Efek keseluruhannya adalah efisiensi termal karena temperatur rata-rata dimana kalor ditambahkan semakin tinggi. Kenaikan temperatur uap panas lanjut ini akan menurunkan kandungan embun dari uap air ketika keluar dari turbin. Yang harus dipertimbangkan adalah adanya keterbatasan ketahanan logam terhadap naiknya temperatur. Saat ini temperatur tertinggi yang diijinkan pada sisi masuk turbin sekitar 620°C.

The effect of superheating the steam to higher temperatures on the ideal Rankine cycle.

Menaikkan tekanan boiler (Menaikkan Thigh,avg) Untuk temperatur masuk turbin

yang tetap, siklusnya bergeser ke kiri dan kandungan embun dari uap air pada sisi keluar turbin bertambah. Efek samping ini dapat dikoreksi dengan pemanasan kembali uap airnya.

Pengaruh kenaikan tekanan boiler pada siklus Rankineideal.

SIKLUS RANKINE REHEAT IDEAL Bagaimana bisa memperoleh keuntungan naiknya efisiensi pada tekanan

boiler yang lebih tinggi tanpa menghadapi problem adanya embun yang berlebihan pada sisi keluar turbin? 1. Temperatur uap panas lanjut yang sangat tinggi. Secara

metalurgi terbatas. 2. Ekspansikan uap air di dalam turbin dalam 2 tingkat, dan memanasi ulang di antara

Reheat tunggal dapat meningkatkan efisiensi sampai 4 atau5% dengan menaikkan temperatur rata-rata dalam boiler. Penggunaan reheat lebih dari 2 kurang efektif karena secara teoritis reheat kedua hanya mampu menaikkan efisiensi separo dari reheat yang pertama dan seterusnya..

y

Temperatur reheat sebaiknya sangat dekat atau sama dengan temperatur masuk turbin.

Tekanan reheat optimum sekitar seperempat dari tekanan siklus maksimum.

SIKLUS RANKINE REGENERATIVE IDEAL Kalor ditransfer ke fluida kerja selama

proses 2-2’ temperatur yang relatif rendah. Ini akan menurunkan temperatur penambahan-kalor rata-rata dan sehingga menurunkan efisiensi siklus. Untuk itu perlu mencari cara untuk menaikkan temperatur air yang meninggalkan pompa sebelum masuk ke boiler (disebut air umpan atau feedwater). Sebagian uap yang dipakai untuk menghasilkan kerja turbin dipakai untuk memanasi air umpan. Alat yang digunakan untuk memanasi air umpan secara regenerasi disebut regenerator, atau feedwater heater

Bagian pertama proses penambahan (FWH). kalor di dalam boiler berlangsung

FWH pada dasarnya adalah sebuah alat pada temperatur yang relatif

rendah. penukar kalor dimana kalor ditransfer dari uap ke air umpan baik dengan cara pencampuran dua fluida secara langsung (open feedwater heaters) atau tanpa pencampuran (closed feedwater heaters).

Open Feedwater Heater FWH terbuka (kontak langsung) pada dasarnya adalah sebuah ruang pencampur, dimana uap yang diambil dari turbin bercampur dengan air umpan yang keluar dari pompa. Idealnya, campuran yang keluar ruang pencampur dalam keadaan cair jenuh pada tekanan heater.

Closed Feedwater Heaters Di dalam feedwater heater tertutup, kalor ditransfer dari uap yang diambil dari turbin ke air umpan tanpa terjadinya pencampuran secara langsung. Kedua fluida bisa pada tekanan yang berbeda.

FWH tertutup lebih kompleks karena jaringan perpipaan di dalamnya, sehingga lebih mahal. Perpindahan kalor di dalam FWH tertutup kurang efektif karena kedua fluida tidak bercampur secara langsung. tetapi, FWH tertutup tidak membutuhkan pompa terpisah untuk setiap heater karena uap yang diambil dari turbin dan air umpan bisa pada tekanan yang berbeda.

FWH terbuka sederhana dan tidak mahal dan memiliki karakteristik perpindahan kalor yang bagus. Tetapi untuk setiap heater membutuhkan pompa. Kebanyakan pembangkit daya uap menggunakan kombinasi FWH terbuka dan tertutup.

Contoh: Siklus Rankine Regeneratif Ideal

• Sebuah pembangkit daya uap beroperasi pada siklus Rankine regeneratif ideal dengan sebuah FWH terbuka. Uap masuk ke turbin pada tekanan 15 MPa dan 600 oC dan

pada tekanan 15 MPa dan 600 C dan dikondensasi di kondenser pada tekanan 10 kPa. Sebagian uap meninggalkan turbin pada tekanan 1,2 MPa dan masuk ke FWH terbuka. Tentukan bagian dari uap yang diambil dari turbin dan tentukan efisiensi termalnya.

Solusi

• Asumsi:

Siklus Rankine Regeneratif Ideal Aliran stedi, sehingga pompa dan turbin isentropis Tid kd tk dbil Tidak ada penurunan tekanan pada boiler, kondenser dan FWH Uap meninggalkan kondenser dan FWH dalam keadaan cair jenuh Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan

Tentukan entalpi di setiap keadaan

ANALISIS HUKUM-KEDUA UNTUK SIKLUS DAYA UAP

Penghancuran exergi untuk sistem aliran-stedi

Aliran-stedi, satuinlet, satu-exit

P h iikl Penghancuran exergi siklus

For a cycle with heat transfer only with a source and a sink

Stream exergy

COGENERATION Banyak industri memerlukan input energi dalam bentuk kalor, yang disebut kalor proses. Di dalam industri kalor proses ini biasanya disediakan oleh uap pada tekanan 5 – 7 atm dan 150 sampai 200°C. Energi biasanya ditransfer ke uap oleh pembakaran batubara, minyak, gas alam, atau bahan bakar lain di dalam dapur.

Industri yang mengkonsumsi kalor dalam jumlah besar, kebutuhan listriknya juga tinggi. Maka pemanfaatan potensial kerja yang ada untuk menghasilkan daya adalah masuk akal. Pembangkit yang diperlukan adalah yang menghasilkan daya sekaligus kalor (cogeneration plant)

A simple process-heating plant.

An ideal cogeneration plant.

• The utilization factor of the ideal steam-turbine cogeneration plant is 100%. • Actual cogeneration plants have utilization factors as high as 80%.

• Some recent cogeneration plants have even higher utilization factors.

At times of high demand for process heat, all the steam is routed to the process-heating units and none to the condenser (m7= 0). The waste heat is zero in this mode. If this is not sufficient, some steam leaving the boiler is throttled by an expansion or pressure-reducing valve to the extraction pressure P6 and is directed to the process-heating unit. Maximum process heating is realized when all the steam leaving the boiler passes through the PRV (m5= m4). No power is produced in this mode. When there is no demand for process heat, all the steam passes through the turbine and the condenser (m5=m6=0), and the cogeneration plant operates as an ordinary steam power plant.

A cogeneration plant with adjustable loads.

COMBINED GAS–VAPOR POWER CYCLES • The continued quest for higher thermal

efficiencies has resulted in rather innovative modifications to conventional power plants. • A popular modification involves a gas power cycle topping a vapor power cycle, which is called the combined gas–vapor cycle, or just the combined cycle. • The combined cycle of greatest interest is the gas-turbine (Brayton) cycle topping a steam-turbine (Rankine) cycle, which has a higher thermal efficiency than either of the cycles executed individually. •

• makes engineering sense to take advantage of the very desirable characteristics of the t bi l thi ht t

gas-turbine cycle at high temperatures and to use the high-temperature exhaust gases as the energy source for the bottoming cycle such as a steam power cycle.

• Recent developments in gas-turbine technology have made the combined gas–steam cycle economically very attractive.

• The combined cycle increases the efficiency without increasing the initial cost greatly. Consequently, many new power plants operate on combined cycles, and many more existing steam-or gas-turbine plants are being converted to combined-cycle power plants.

• Thermal efficiencies over 50% are reported.

Combined gas–steam power plant.

PR

吀栀攀...........................................................................................................................

............................

.........................

......................................