Termodinamika Siklus Carnot dan Rankine

8/19/2019 Termodinamika Siklus Carnot dan Rankine

1/48

TERMODINAMIKAKelompok 2

Anggota :

1. Nizamul Muluk/21060113120020

2. Yogi Anastra Danu W/210601131200603. !a "amalu##in Al $as!i# A$/21060113120066

%. Ari!a D&i War#'ana/210601131200(%

). *an#! Musta+a/210601131200


2/48

SIKLUS CARNOT


3/48

Pengertian

,roses terse-ut meliputi proses pemuaianisotermal pemuaian a#ia-atik pemampatanisotermal #an pemampatan a#ia-atik !ang -erlangsung -erurutan terus menerus.

iklus arnot a#ala'siklus i#eal #ari mesinpemanas !ang reersi-leseara sempurna.

iklus ini ter#iri #ari2 proses isotermal #an#ua proses a#ia-atik. D

Q1

Q2

A

C

B

V

p

T2

T1


4/48

Siklus Ideal Carnot

1.Pada langkah pertama, gas mengalami ekspansi (pemuaian)isotermal reversibel. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar

silinder dan sejumlah beban diatas piston dikurangi. Selamaproses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah,namun volume sistem bertambah. ari keadaan 1 ke keadaan! , sejumlah kalor dipindahkan dari reservoir suhu tinggi kedalam gas.

!.Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan ! ke keadaan "dan mengalami proses ekspansi (pemuaian) adiabatisreversibel. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yangyang keluar atau masuk kedalam sistem. #ekanan gasditurunkan dengan mengurangi beban yang ada diatas piston.

$kibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenyabertambah.


5/48

". Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah darikeadaan " ke keadaan & dan mengalami proseskompresi (pemampatan) isotermal reversibel.Pada langkah ini, reservoir suhu rendahmenyentuh dasar silinder dan jumlah beban

diatas piston bertambah. $kibatnya tekanansistem meningkat, temperatur tetap, dan volumesistem menurun. ari keadaan " ke keadaan &sejumlah kalor dipindahkan dari gas ke reservoirsuhu rendah untuk menjaga temperatur sistemagar tidak berubah.

&. Pada langkah keempat, gas mengalami proseskompresi (pemapatan) adiabatis reversibel dankeadaannya berubah dari keadaaan & ke keadaan

1. 'umlah beban diatas piston bertambah. Selama

Siklus Ideal Carnot


6/48

Proses Siklus Carnot Diagram P-V1. Proses pemuaian secara isotermal A ke

B. Pada proses ini sistem menyerap

kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1

dan melakukan usaha W AB.

2. Proses pemuaian secara adiabatik B ke

C. elama proses ini berlangsung suhusistem turun dari T1 men!adi T2 sambil

melakukan usaha WBC.

". Proses pemampatan secara isotermal

C ke #. Pada proses ini sistem

menerima usaha WC# dan melepas

kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah

T2.

$. Proses pemampatan secara adiabatik

# ke A. elama proses ini suhu sistem

naik dari T2 men!adi T1 akibat menerima

D

Q1

Q2

A

C

B

V

p

T2

T1


7/48

Proses 1Pemuaian isotermal!

dimana :

% T = suhu (Kelvin)% P = tekanan (Pa = N/m2)% V = volume (m3)% n = jumlah mol (mol)

% R = konstanta (J/mol K)

∫ ∫ == 2

1

2

11

V

V

V

V AB

V

dV nRT pdV W

1

21 ln

V

V nRT =

W U Q

+∆=Karena merupakan proses isotermal

maka U=0, sehingga :QW =


8/48

Proses 2 Pemuaian a"ia#atik!

Karena merupakan proses a#ia-atik

maka Q=0, sehingga

dimana :% T = suhu (Kelvin) dimana T1!T2

% n = jumlah mol (mol)

% "v = kalo# jenis $as %ada tekanan teta% (J/K$ K)

W U Q +∆=

U W BC ∆−=T ncU W

T

T

v BC ∆−=∆−= ∫ ∫ 1

2

)( 21 T T ncv −−=)(

12 T T nc

v

−=


9/48

Proses 3 Pemam$atan isotermal!

dimana :

%T = suhu (Kelvin)% P = tekanan (Pa = N/m2)

% V = volume (m3)


% R = konstantanta (J/mol K)

W U Q

+∆= QW =

Karena merupakan proses isotermal

maka U=0, sehingga :

∫ ∫ ==3

&

3

&1

V

V

V

V CD

V

dV nRT pdV W

3

&1 ln

V

V nRT =


10/48

Proses 4 Pemam$atan a"ia#atik!

#imana :

% T = suhu (Kelvin) dimana T2!T1)


% 4 kalor 5enis gas pa#a tekanan tetap "/Kg K7

W U Q +∆=&arena merupakan proses adiabatik

maka Q=0, sehingga

U W DA ∆−=T ncU W

T

T

v DA ∆−=∆−= ∫ ∫ 2

1

)( 12 T T ncv −−=


11/48

Usaha Total

DACD BC ABt W W W W W +++=

)(ln)(ln 123

&212

1

21 T T nc

V

V nRT T T nc

V

V nRT vv −−+−+=

+=

3

&2

1

21 lnln

V V T

V V T nR

3

&2

1

21 lnln

V

V nRT

V

V nRT +=


12/48

E%%isiensi Mesin Carnot

'11

xQ

W

=η

'1((1

1

2 xQ

Q

−=η

'leh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika dinyatakan

dengan W ( Q1 ) Q2 maka persamaan tadi dapat dituliskan men!adi

Pada mesin Carnot* besarnya Q1 sama dengan temperatur

reservoir suhu tingginya +T

1,. #emikian !uga* besarnyaQ

2 samadengan temperatur reservoir suhu rendah mesin Carnot tersebut.

'leh karena itu* rumus e-isiensi dapat dituliskan men!adi

'11

1

2 x

T

T

−=η


13/48

Penera$an Siklus Carnot

1. Mesin ,en#inginMerupakan peralatan !ang

-eker5a -er#asarkan alirankalor #ari -en#a #ingin ke

-en#a panas #enganmelakukan usa'a pa#asistem. onto' mesinpen#ingin a#ala' lemari es#an A

8entuk persamaan e+isiensimesin pen#ingin koe+isienper+ormansi7 !ang #i-erisim-ol Kp a#ala' :

21

2

21

22

T T

T

QQ

Q

W

Q Kp

−=

−==

&p ( koe-isien daya guna

Q1 ( kalor yang diberikan pada reservoir

suhu tinggi +,

Q2 ( kalor yang diserap pada reservoir suhu

rendah +,

W ( /saha yang diperlukan

T1 ( suhu reservoir suhu tinggi +&,

T2 ( suhu reservoir suhu rendah +&,


14/48

2. 9eat ,ump/pompa kalor

P#insi% ke#ja %om%a kalo# %ada dasa#na sama

den$an %#insi% ke#ja mesin %endin$in hana saja

sistem ke#jana te#*alik dimana ali#an kalo#te#jadi da#i *enda %anas ke *enda din$in den$an

melakukan usaha %ada sistem+


15/48

N;9 A< :

= ,er'atikan gam-ar -erikut ini>

"ika kalor !ang #iserap reseroir su'u tinggi a#ala' 1200 5ouletentukan :

a7 ?+isiensi mesin arnot -7 @sa'a mesin arnot7 ,er-an#ingan kalor !ang #i-uang #i su'u ren#a' #enganusa'a !ang #ilakukan mesin arnot#7 "enis proses a- - # #an #a


16/48

Pembahasan

a) ?+isiensi mesin arnotDiketa'ui :;1 4 22(o 4 )00 K

;2 4 2(o 4 300 K

Maka : 4 1 B ;1/;27 C 100

4 1 B300

/)007 C 100 4 %0


17/48

b) @sa'a mesin arnot 4 W /E1%/10 4 W /1200 W 4 %F0 5oule


18/48

c) ,er-an#ingan kalor !ang #i-uang #i su'uren#a' #engan usa'a !ang #ilakukan mesinarnot

W4 E1 B E2 E2 4 E1 B W 4 1200 B %F0 4 (20 5oule

E2 : W 4 (20 : %F0 4 G : 6 4 3 : 2


19/48

d) "enis proses a- - # #an #aa- pemuaian isotermis olume gas→ -ertam-a' su'u gas tetap7

- pemuaian a#ia-atis olume gas→ -ertam-a' su'u gas turun7# pemampatan isotermal olume gas→ -erkurang su'u gas tetap7#a pemampatan a#ia-atis olume gas→ -erkurang su'u gas naik7


20/48

SIKLUS RANKINE


21/48

Pengertian

iklus $ankinea#ala' siklus

pengu-a'an panasmen5a#i ker5a.

iklus $ankine a#ala' mo#el

operasi mesin uap !ang seara umum#igunakan #i ,em-angkit


22/48

Proses Siklus Rankine I"eal

1 0 2 Proses pemompaan

isentropic pada pompa.

2 0 " Proses pemasukan kaloratau pemanasan pada tekanan

konstan dalam ketel uap.

" 0 $ Proses ekspansi isentropik di

dalam turbin.$ 0 1 Proses pengeluaran kalor

pada tekanan konstan.


23/48

,rosesHproses terse-ut #apat #ise#er'anakan se-agai :

1. Ker5a pompa Wp7 4 '2 I '1 4 v (P 2 – P 1 )

2. ,enam-a'an kalor pa#a ketel Ein7 4 '3 I '2

3. Ker5a tur-in W;7 4 '3 I '%

%. Kalor !ang #i lepaskan #alam kon#ensorEout7 4 '% I '1

). ?+esiensi ;'ermal siklus

#imana h ( entalpi sistem


24/48

Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi olehpompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic, yaituprosesnya tidak bolak-balik dan entropi meningkat selamaproses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh

pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin.Tetapi dalam siklus Rankine ideal bersifat isentropic, yaitukebalikannya.

Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi olehterbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibatkondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin,menyebabkan erosi dan korosi. Cara termudah dalammenangani hal ini adalah dengan memanaskannya padatemperatur yang sangat tinggi.


25/48

Siklus Rankine "engan Re&eater

Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi termal pada siklus

rankine adalah dengan jalan pemanasan ulang(reheat).Reheatmerupakan modifikasi darisuperheater dimana uap tidaklangsung berekspansi pada turbin ke tekanan kondensormelainkan uap berekspansi pada dua turbin(High Pressure danLow Pressure)yang keduanya berada pada satu poros.


26/48

= Dari mo#i+ikasi ini #apat kita tam-a'kan #alam'itungan e+isiensi termal siklus energi panas

masuk pa#a saat reheater Ein reheater7 serta outputker5a pa#a tur-in low pressure W LPT out 7. e'ingga

nilai kalor total !ang masuk ke +lui#a ker5a a#ala':

Etotal

4 Ein boiler

J Ein reheater

Etotal 4 m'3 I '17 J m') I '%7

= e#angkan nilai ker5a output keluar total a#ala': W out total 4 W HPT out J W LPT out

W out total 4 m'3 I '%7 J m'6 I ')7


27/48

Siklus Rankine "engan Regenerati(e

"a#a menin$katkan e,isiensi siklus #ankine an$ kedua

adalah den$an men$$unakan %#eheate# atau %emanasan a-al

da#i ,luida ke#ja se*elum ia masuk ke *oile#+

.um*e# %anas an$ di$unakan untuk %#eheate# *e#asal

da#i ua% ai# an$ diam*il da#i tu#*in ua% %ada stage te#tentu

( Extraction Steam)+ a% %anas ini diali#kan mele-ati %i%amenuju ke heat exchanger dan *e#temu den$an ai# kondensat

atau feed ater + 0i# kondensat an$ kelua# da#i kondenso#

di%om%a oleh %om%a ekst#aksi kondensat menuju heat

exchanger te#se*ut+

0da dua ti%e ju$a heat exchanger an$ *iasa di$unakan+

an$ %e#tama adalah ti%e !pen "eed Water #eater dan ti%e

an$ kedua adalah ti%e te#tutu% (C$ose "eed Water #eater


28/48

Open Feed Water Heater

Yang pertama a#ala' tipe Open FeedWater Heater !ang mana tipe ini -ersi+at ter-uka perpin#a'an panasseara koneksi extraction stea akan -ertemu #an -erampur langsung

#engan +lui#a ker5a #i se-ua' &a#a'tertentu.

Kelema'an sistem ini a#ala' ti#ak#apat #igunakan apa-ilaantara extraction stea #engan +lui#a

ker5a ter#apat per-e#aan tekanan !angterlalu -esar tetapi memiliki kele-i'an#alam sisi ekonomis #an perpin#a'anpanas !ang maksimal karena ke#uame#ia -ertemu seara langsung.


29/48

Massa aliran +lui#a pa#a setiap komponen men5a#i -er-e#a karena

a#an!a extraction stea. Apa-ila 1 kg uap air masuk ke tur-in #an ! kg men5a#i extraction stea #an 1H!7 kg -erlan5ut menu5u ke

-oiler maka kita #apat meng'itung ker5a output #an kalor masuk

se-agai -erikut:

"ika 4 E / m maka := Ein4')H'%

= Eout41H!7'(H'17

= W tur-in out4')H'67J1H!7'6H'(7

= W pumpin41H!7W pumpLinJW pumpLLin

Dimana

= W pumpLin4 1,2H,17

= W pumpLLin4 3,%H,37


30/48

Close Feed Water Heater

;ipe !ang ke#ua a#ala' tipe tertutup!lose Feed Water Heater7 !angmana #i #alamn!a ter5a#iperpin#a'an panas seara kon#uksi

uap air pa#a sisi shell #an +lui#a ker5a#i sisi pipa. ;ipe ini #apat #igunakanapa-ila ke#ua me#ia #alam kon#isiper-e#aan tekanan !ang -esar

namun kelema'ann!a a#ala' 'arga !ang le-i' ma'al serta perpin#a'anpanas !ang le-i' keil karena ke#uame#ia ti#ak -ertemu seara langsung.


31/48

ama #engan Open Feed Water Heater apa-ila 1

kg uap air masuk ke tur-in #an ! kgmen5a#iextraction stea #an 1H!7 kg -erlan5ut

menu5u ke -oiler maka kita #apat meng'itung

ker5a output #an kalor masuk se-agai -erikut :Ein 4 '% I '3

Eout 4 1 I !7'1 I '67 J !'F I '17

W tur-.out 4 '% I ')7 J 1 I !7') I '67 W pump.in 4 '2 I '17


32/48

CONTO) SOAL *

e-ua' siklus $ankine se#er'ana i#eal -eker5apa#a temperatur %00 o #an tekanan F0 -ar.

;ekanan kon#ensor 01 -ar. Aliran massa uap !ang masuk ke tur-in 100 kg/s. 9itungla' ker5atur-in ker5a pompa kalor masuk kalor keluar#an e+isiensi siklus. #a!a !ang #i'asilkan tur-in#an #a!a netto siklus.


33/48

Pem#a&asan


34/48

Ta#el Superheated water +-, MPa!

Diketa'ui , 4 F0 -ar 4 F M,A


35/48

Ditan!a : ker5a tur-in W t7 Ker5a pompa W p7

kalor masuk Ein7 kalor keluar Eout7 e+isiensitermo#inamika t'7 #a!a tur-in ,t7 #an #a!a

netto siklus ,nett7.

Dari ta-el si+atHsi+at uap panas lan5ut #i #apat :

= ?ntalpi uap masuk ke tur-in : '1 4 313G% k"/kg

= ?ntropi uap masuk ke tur-in : s1 4 636)F

k"/kg.K

= ?ntropi uap keluar tur-in sama #engan entropiuap masul tur-in proses i#eal atau isentropis7se'ingga s1 4 s2 4 636)F k"/kg.K


36/48

Ta#el Ua$

enu&

Diketa'ui

, 4 01 -ar

4 10 k,a


37/48

Dari ta-el uap 5enu' pa#a tekanan 01 -ar 10k,a7 #i#apat :

= ?ntalpi +ase uap 'g27 4 2)F3G k"/kg

= ?ntalpi +ase air '+27 4 1G1F1 k"/kg

= ?ntalpi peru-a'an +ase '+g27 4 23G21 k5/kg

= ?ntropi +ase uap sg17 4 F1%FF k"/kg.K = ?ntropi +ase air s+27 4 06%G2 k"/kg.K

= ?ntropi peru-a'an +ase s+g27 4 (%GG6 k"/kg.K


38/48

= *raksi ka#ar7 uap 7 #apat #i'itung :

= Artin!a ka#ar uap !ang keluar #ari tur-in menu5u kon#ensor

a#ala' (622 atau +lui#a !ang keluar #ari tur-in (622 uap

#an 23.(F air. 8agian !ang air ini ti#ak perlu lagi#iem-unkan tetapi (622 uap ini !ang 'arus #i-uang

kalorn!a supa!a +asen!a -eru-a' men5a#i air. Maka energi

total !ang terkan#ung #i #alam (622 uap #apat #i'itung :


39/48

Maka ker5a tur-in #apat #i'itung !aitu :

Da!a tur-in a#ala' :


40/48

= Kalor !ang #i-uang ole' kon#ensor :

= '2 a#ala' entalpi uap !ang masuk ke kon#ensor

4 201)0( k"/kg= '3 a#ala' entalpi air !ang keluar #ari kon#ensor

4 1G1F1 k"/kg


41/48

= Maka kalor !ang #i-uang ole' kon#ensor a#ala' :

= Da!a kon#ensor !ang #i-utu'kan untuk

mem-uang kalor terse-ut a#ala' :


42/48

Ker5a pompa #apat #i'itung #engan rumus :

= O 4 olume 5enis air pa#a tekanan 01 -ar 4 000101 m3/kg

= p% 4 tekanan air keluar pompa 4 tekanan -oiler proses

i#eal ti#ak a#a rugiHrugi tekanan7 maka p% 4 p1 4 %00 -ar 4%0 M,a.

= p3 4 tekanan air masuk pompa 4 tekanan air keluar

kon#ensor untuk proses i#eal ti#ak a#a rugiHrugi tekananse'ingga p3 4 01 -ar 4 10 k,a


43/48

= Maka ker5a pompa :

= 8ila aliran massa air !ang #ipompa 100 kg/smaka #a!a !ang #iperlukan ole' pompa a#ala':


44/48

= Da!a netto siklus :


45/48

Kalor !ang masuk ke sistem in 7 #apat #i'itung :

= '1 4 entalpi uap panas lan5ut keluar #ari -oiler 4

313G% k"/kg

= '% 4 entalpi air keluar pompa !ang -esarn!a 4entalpi air masuk pompa J ker5a pompa maka'%4 1G1F1 J %03FGG 4 2321GGG k"/kg


46/48

= Maka kalor !ang masuk ke sistem a#ala'

= Da!a !ang #i'asilkan 8oiler : ,8 4 2G002 k"/kgC 100 kg/s 4 2G0.020 kW 4 2G002 MW


47/48

E%isiensi termo"inamika siklus a"ala& *

Dari 'asil per'itungan #apat #ili'at 'an!a 3(3( #ari #a!a !ang #i-erikan ke #alam -oiler !ang #apat#iu-a' men5a#i energi mekanis sisan!a 'ilang atau#i-uang ke alam melalui kon#ensor #an a#a se-agiankeil !ang #igunakan untuk mengerakan pompa.


48/48

Terima kasih

Termodinamika Siklus Carnot dan Rankine

Documents