MK thermo-L 2
Click here to load reader
-
Upload
ellen-dawitri -
Category
Documents
-
view
8 -
download
0
Transcript of MK thermo-L 2
MAKALAH THERMODINAMIKA LANJUT
SIKLUS RANKINE
oleh :
KELOMPOK II
Abdurachman 130
Ali Rimbasa Siregar 1306359212
Ellen Dawitri 0906635551
Oni Farisa 1306423165
Yosephine Merry Devina 1006660661
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK 2013
Soal
Suatu steam power plant yang sangat besar menghasilkan steam jenuh pada suhu 90oC
sebanyak 5000 ton/jam. Untuk mendaur ulang boiler feed water yang cukup mahal, maka
steam ini harus diembunkan lalu kondensatnya didaur ulang. Kandungan energi termal steam
bertekanan rendah ini masih cukup tinggi. Saudara diminta untuk melakukan studi kelayakan
untuk pemanfaatan steam ini untuk menghasilkan power dengan menggunakan working fluid
bahan yang sangat volatil seperti butana yang mempunyai titik didih di bawah suhu kamar.
Sebagai pendingin di sekitar power plant tersebut tersedia air sungai yang sangat berlimpah
pada suhu 25oC/
(a) Tanpa harus tahu detail dari proses di power plant baru dengan menggunakan butana
tersebut, perkirakanlah daya maksimum yang mungkin dihasilkan oleh sistem baru
tersebut. anggap steam tekanan rendah tersebut akan mengembun dalam power plant
baru dan keluar sebagai kondensat pada suhu 90oC.
(b) Selanjutnya berilah komentar akan kemungkinan meningkatkan efisiensi siklus rankine
ini dengan cara meningkatkan tekanan pada boiler dan dengan cara pemanasan ulang.
(c) Untuk mengasah kemampuan maka perkirakanlah daya yang dihasilkan turbin serta
entalpi dan entropi steam yang keluar turbin jika efisiensi turbin 40% dan laju alir
100kg/s untuk suatu turbin yang beroperasi secara adiabatik dengan superheated steam
sebagai umpan pada suhu 450oC dan tekanan 8000kPa. Steam meninggalkan turbin pada
tekanan 30kPa.
Jawaban
(a) Skema siklus dapat dilihat dari gambar di bawah ini:
Gambar 1. Skema Siklus
Dikatakan dari soal bahwa terdapat dua buah sistem pembangkit tenaga dengan fluida
kerja yang berbeda, yaitu steam dan butana. Pada steam power plant, dikatakan bahwa
dihasilkan uap jenuh dengan suhu 90oC yang keluar dari turbin yang kemudian akan
digunakan kembali pada butana power plant sebagai sumber panas untuk memanaskan
butana. Karena butana memiliki titik didih di bawah suhu kamar (volatile), maka suhu
dari uap jenuh akan cukup untuk menguapkan butana sebagai fluida kerja pada butana
power plant. Jadi setelah uap jenuh keluar dari turbin pada steam power plant, uap
tersebut akan masuk ke boiler pada butana power plant yang pada kasus ini sekaligus
berfungsi sebagai condenser bagi steam jenuh tadi. Setelah keluar dari boiler pada
butana power plant, steam tadi akan menjadi kondensat jenuh yang akan masuk ke siklus
rankine pada steam power plant. Jadi dalam kasus ini sistem yang ada adalah sistem
dalam sistem, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Dari Gambar 1. Dapat dilihat bahwa terdapat sebuah sistem tenaga uap yang dapat
dibagi lagi menjadi 3 buah sistem kecil, sistem pertama yaitu sistem pada steam hasil
panas bumi sebagai fluida kerja, sistem kedua yaitu sistem yang menggunakan n-butana
sebagai fluida kerja, dan yang ketiga adalah sistem pada sirkulasi air pendingin.
Untuk memperkirakan besarnya kerja (Wsiklus) yang dihasilkan oleh turbin pada sistem
kedua tanpa mengetahui detil proses dari sistem kedua tersebut, kita dapat menghitung
kerja yang mungkin dapat dihasilkan turbin pada sistem tersebut dengan cara
menghitung besarnya kalor yang masuk dan yang keluar dari sistem kedua tersebut.
Kalor yang diterima (Qin) pada sistem kedua, nilainya sama dengan kalor yang
dilepaskan(Qout) oleh sistem pertama pada evaporator, sehingga kita dapat menghitung
Qin pada Persamaan 1. dengan menghitung Qout pada sistem pertama yang kondisi
operasinya sudah diberikan. Sementara itu, jumlah kalor yang dilepaskan oleh butane
(Qout) pada pers. 1 besarnya sama dengan nilai kalor yang diterima (Qin) oleh air
pendingin, sehingga nilainya juga dapat dihitung dengan kondisi inlet air pendingin yang
diberikan.
Berikut langkah-langkah yang harus dilakukan untuk memperkirakan besarnya Kerja
(Wsiklus) pada sistem butane.
Menghitung nilai kalor yang dilepaskan pada evaporator oleh steam pada sistem pertama
(Qout)
Gambar 2. Skema kerja pada evaporator (boiler)
Nilai Qout dihitung dari neraca massa dan energi pada evaporator tersebut dengan
beberapa asumsi yang berlaku :
- Tidak ada kerja yang dikenakan maupun dilakukan pada evaporator
- Energi kinetic dan energi potensial diabaikan
- Kondisi steady state
Neraca massa
Karena terdiri atas satu inlet dan satu outlet, maka :
Neraca energi
Persamaan umum neraca energi adalah sebagai berikut :
Dengan menggunakan asumsi-asumsi yang telah ditetapkan, maka pers. 3 neraca energi
tersebut menjadi :
Dengan konsisi yang diberikan pada inlet dan outlet sistem pertama, kita dapat
menghitung nilai masing-masing entalpi (h) baik di inlet (a) maupun outlet (b). Karena
temperature pada inlet dan outlet adalah sama dan hanya fasanya yang berubah, maka
nilai selisih entalpi pada suhu tersebut merupakan nilai hfg. Sehingga pers.4 menjadi :
Sifat fluida pada T = 90°C dapat dilihat pada Tabel A-2 buku Moran (Tabel 1) :
Tabel 1. Sifat fluida pada 90°C
Dari tabel tersebut didapat nilai hfg = 2283.2 kJ/kg. Sehingga nilai kalor yang dilepas
oleh steam dapat dihitung dengan pers. 5 sbb :
[
] [
] [
] [
]
[ ][ ] [
]
Menghitung nilai kalor yang diterima (Qin) dalam evaporator pada sistem kedua
Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa nilai kalor yang diterima oleh sistem
kedua (butane) pada evaporator adalah sama dengan kalor yang dilepaskan oleh sistem
pertama (steam), maka dapat ditulis sebagai berikut :
Untuk memudahkan perhitungan selanjutnya, maka nilai Q, dihitung dalam bentuk basis
laju alir massa sebagai berikut
[
] [
]
Menghitung jumlah kalor yang dilepaskan (Qout) oleh sistem kedua (butane) pada
kondenser
Gambar 3. Skema proses pada condenser
Karena kondisi operasi dari sistem kedua (butane) sama sekali tidak diberikan, maka
untuk menghitung jumlah kalor yang dilepaskan (Qout) oleh sistem butana, terlebih
dahulu kita hitung jumlah kalor yang diterima (Qin) oleh air pendingin dalam kondensor.
Karena data air pendingin yang diberikan hanya pada inlet yaitu 30°C, maka untuk
melakukan perhitungan kita perlu mengasumsikan keluaran air pendingin, disini
diasumsikan bahwa suhu air pendingin yang keluar adalah 40°C, sehingga nilai Qin dapat
dihitung dengan persamaan berikut :
Karena kalor jenis (Cp) dari persamaan tersebut merupakan fungsi suhu, maka pers. 6
menjadi :
∫
Seperti pada perhitungan sebelumnya, nilai kalor disini menggunakan basis massa karena
jumlah air pendingin yang bersirkulasi didalam kondenser tidak diketahui, sehingga
persamaan tersebut menjadi :
∫
Dengan mesubtitusi nilai Cpair = 4.18 kJ/kg.K, maka nilai Qin dapat dihitung sebagai
berikut :
∫
[ ]
Kalor yang dilepaskan oleh butane (Qout) sama dengan kalor yang diterima oleh air
pendingin (Qin), sehingga :
Menghitung Kerja maksimal yang dihasilkan oleh sistem
Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya bahwa bahwa Daya netto yang dihasilkan oleh
suatu siklus pada kondisi tunak sebanding dengan perpindahan kalor ke pembangkit,
seperti ditulis dalam pers. 1 :
Dengan mensubstitusi nilai Qin dan Qout, maka nilai W dapat dihitung sbb :
Nilai kerja (Wsiklus ) tersebut merupakan nilai maksimal kerja yang dihasilkan, dimana
proses berlangsung ideal.
(b) Salah satu cara yang dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi dalam pembangkit
tenaga uap adalah dengan meningkatkan tekanan boiler. Karena siklus ideal seluruhnya
terdiri dari proses yang reversible internal, persamaan untuk efisiensi termalnya dapat
diperoleh dalam bentuk temperature rata-rata selama proses interaksi kalor. Efisiensi
thermal pada siklus tenaga cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya suhu rata-
rata saat energi ditingkatkan dengan transfer panas. Pengaplikasian teori ini pada tekanan
boiler secara kualitatif dapat meningkatkan kualitas vapor pada power plant.
Untuk mendapatkan efisiensi sistem yang bagus, salah satu caranya adalah dengan
mendapatkan kualitas steam atau vapor yang baik. Bila kualitas fluida yang masuk ke
turbin terlalu rendah, maka pengaruh liquid droplet pada campuran fluida liquid-vapor
dapat merusak turbin, yang menyebabkan menurunnya efisiensi turbin dan meningkatkan
keperluan perbaikan. Oleh karena itu dengan meningkatkan tekanan pada boiler, maka
kualitas steam yang masuk ke dalam turbin juga akan meningkat (mengurangi liquid
droplet pada steam) sehingga akan meningkatkan efisiensi pada turbin.
Gambar 4 menunjukkan dua siklus ideal yang memiliki tekanan kondenser yang sama,
namun tekanan boiler yang berbeda. Suhu rata-rata dari penambahan panas meningkat
untuk siklus 1’-2’-3’-4’-1’ dengan tekanan yang lebih tinggi, dibandingkan siklus 1-2-3-
4-1. Gambar 4 menunjukkan bahwa meningkatkan tekanan boiler dari siklus rankine
yang ideal dapat meningkatkan efisiensi thermal sistem.
Gambar 4. Perbandingan Siklus Rankine pada Tekanan Boiler berbeda
Sedangkan reheating merupakan suatu proses yang memerlukan dua tahap turbin dalam
siklus rankine, dimana turbin tahap pertama adalah turbin tekanan tinggi, dan turbin
tahap kedua adalah turbin tekanan rendah. Pada kondisi normal (satu turbin), steam yang
diekspan dari turbin menuju kondenser akan mengalami penurunan tekanan, sehingga
saat mencapai tekanan kondenser akan terjadi pressure drop yang akan menurunkan
efisiensi sistem. Reheating dilakukan untuk mencegah terjadinya hal tesebut. Gambar di
bawah ini menunjukkan kondisi operasi dengan menggunakan sistem reheating.
Gambar 5. Skema dan Grafik Reheating
Dari gambar di atas, dapat dilihat bahwa steam tidak diekspansi ke tekanan kondenser
dalam satu tahap turbin. Pertama-tama steam akan diekspansi ke suatu kondisi tekanan di
antara tekanan boiler dan kondenser melalui turbin tahap pertama (Proses 1-2). Steam
tersebut kemudian dipanaskan kembali di dalam boiler (tahap 2-3). Secara ideal, tidak
akan ada pressure drop setelah steam dipanaskan kembali. Setelah dipanaskan kembali,
steam diekspansi pada tahap kedua turbin ke tekanan kondenser. Dengan reheating selain
meningkatkan kualitas turbin, juga akan meningkatkan tekanan boiler. Prinsip reheating
adalah untuk meingkatkan kualitas steam pada turbin. Dari diagram T-s di atas dapat
dilihat dengan membandingkan tahap 4 dengan tahap 4’ (kondisi turbin tanpa reheating).
(c)
Gambar 6. Skema Turbin
Asumsi yang digunakan:
Turbin bersifat isentropik, sehingga
Perubahan energi kinetik pada sistem diabaikan, sehingga .
Perubahan energi potensial pada sistem diabaikan, sehingga .
Perubahan kalor antara sistem dengan lingkungan diabaikan, sehingga .
Perubahan kerja adalah positif, karena sistem melakukan kerja terhadap lingkungan.
Data dari steam table:
Kondisi 1:
Dari steam table A-4 (superheated steam) diketahui kondisi-kondisi berikut:
Kondisi 2:
Dari steam table A-3 (saturated vapor-liquid) diketahui kondisi-kondisi berikut:
Kualitas uap campuran pada aliran 2 adalah:
( )
Entalpi campuran pada aliran 2 adalah:
( )
⁄
Kerja isentropik turbin adalah:
(
)
(
)
(
)
⁄
Kerja nyata turbin adalah:
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
( ⁄ )
⁄
Jadi, dari perhitungan diperoleh hasil berikut:
Entalpi steam yang keluar turbin adalah 2209.5 kJ/kg
Entropi steam yang keluar turbin adalah 6.5539 kJ/kg.K
Daya yang dihasilkan turbin adalah sebesar 56,977.35 hp.