Siklus Tenaga Uap

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.


Himsar AMBARITA


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


Himsar AMBARITA


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


Himsar AMBARITA


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)


Himsar AMBARITA


=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 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


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.


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


Himsar AMBARITA


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




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.


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.


Himsar AMBARITA


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



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




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.


Himsar AMBARITA


• =−

+=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


Himsar AMBARITA


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




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




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


Himsar AMBARITA


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:


Himsar AMBARITA


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


Himsar AMBARITA


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



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


siklus, dan (g) bwr

Penyelesaian:

Diketahui sebuah STU dengan modifikasi gabungan

superheat dan regenerasi seperti pada Gambar 13 dan

Gambar 14.


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


Himsar AMBARITA


6hm&

7hm&

91 hmr &

161 hmr &

Hukum kekekalan energi:

1617916 hmrhmhmrhm &&&& +=+

112783,0169

671 =

−

−=

hh

hhr


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


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


Himsar AMBARITA


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


Himsar AMBARITA


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








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


Himsar AMBARITA


( ) 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


Himsar AMBARITA


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




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.

Siklus Tenaga Uap

Documents

siklus terjadi perubahan

pengetahuan cara kerja

william john macquorn

ketel uap prepared by

dibahas siklus rankine

fasa cair menjadi uap

bentuk panas menjadi

sistem konversi energi