KONVERSI ENERGI SISTEM TURBIN GAS HTR Utaja

\)

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla. 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803

ANALISIS

KONVERSI ENERGI SISTEM TURBIN GAS HTR

5)1)

Utaja

Pusat Pengembangan Perangkat Nuklir -Batan

ABSTRAK

ANALISIS KONVERSI ENERGI SISTEM TURBIN GAS HTR.Analisis konversi energi sistem turbin gas secara manual memerlukan waktu yanglama clan melelahkan. Hal ini disebabkan oleh proses perhitungan termodinamikabaik pada kompresi mall-pun ekspansi pada suatu siklus secara berulang ulang. Untukmempercepat analisif: clan memperbanyak variabel yang dianalisis dipakai programHTR_l. Di dalam makalah ini dibahas analisis konversi energi sistem turbin gas HTRdengan HTR_l. Hasilnya di tun-jukkan dalam bentuk grafik clan diagram kotak (blokdiagram) beserta suhu pada sisi masuk clan keluar komponen. Program HTR-l untukanalisis ini ditulis dalam bahasa pe- mrograman BASIC clan dikompilasi denganVisual Basic 5.0. Dengan program ini, efi-siensi, daya spesifik clan batas kompresiuntuk berbagai gas dapat diketahui dengan cepat. Sebagai contoh , untuk gas CO2pada batas suhu 40 °C clan 700 °c, kom presi pada efi-siensi maksimum sebesar 4.6clan kalor spesifik sebesar 18.9 kkal! kg, sedangkan peru-bahan suhu di setiap sisimasuk clan keluar komponen dapat ditunjukkan pada monitor. Proses ini berlangsungkurang dari satu detik, sedangkan perhitungan manual lebih dari satu jam. Dapatdisimpulkan bahwa analisis konversi energi sistem turbin gas HTR dengan HTR_ldapat lebih cepat clan melibatkan lebih banyak variabel yang dianalisis.

ABSTRACTTHE ENERGY CONVERSIO~ ANALYSIS OF HTR GAS TURBINE

SYSTEM. The energy conversion analysis of HTR gas turbine system by handcalculation is tedious work and need much time. This difficulty comes from therepeated thermodynamic proccess calculation, both on compression or ?xpansionof the cycle. To make the analysis faster and wider variabel analized; HTR_1

programme is used In this paper, the energy conversion analysis of HTR gas turbinesystem by HTR_1 will be discribed. The result is displayed as efficiency curve andblock diagram with the input and output temperatlffe of the component. ThisHTR_1 programme is developed by BASIC language programming and becompiled by Visual Basic5.0 By this H1R_1 programme, the efficiency, specific powerand effective compression of the amount of gas can be recognized fast. Forexample, for CO2 gas between 40 DC and 700 DC, the com presion on maximumefficiency is 4.6 and the energy specific is 18.9 kkal/ kg, while the temperaturechanging on input and output of the component can be traced on monitor.This proccess take less than one second, while' the manual calculation take morethan one hour. It can be concluded, that the energy conversion analysis of the HTR gastllrbine system by HTR-1 can be done faster and more variabel analized.

76

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803

PENDAHULUAN

Kemampuan konversi energi HTR (High Temperature Reactor) dengan sistem

turbin gas, dipengaruhi oleh kemampuan konversi energi sistem turbin gas itu sendiri

Di dalam sistem turbin gas selalu terdapat kompresor. Analisis konversi energi pada

sistem turbin gas ada!ah analisis proses termodinamika kompresi clan ekspansi yang

berlangsung di da-lam kompresor clan turbin, serta proses pemindahan panas pada

penukar panas. Bila pe-kerjaan ini dilakukan secara manual, akan memakan waktl

yang lama clan membosankan, karena menyangkut perhitungan yang sarna secara

berulang ulang. Untuk mengatasi ma~salah tersebut, analisis dilakukan dengan

program HTR_I Di beberapa pustaka penyele-saian ditampilkan dalam bentuk grafik

untuk suatu kondisi yang terbatas. Analisis kon-versi energi sistem turbin gas HTR

yang dilakukan dengan program HTR_l didasarkan pada proses isentropik ideal clan

non ideal baik pada kompresi maupun ekspansi. Sedang-kan siklus yang dipakai untuk

analisis meliputi siklus Brayton clan Ericsson. Perhitungan dilakukan baik dengan

pendekatan global ataupun dengan pendekatan sepotong-sepotong. Pendekatan global

dipakai untuk mendapatkan harga efisiensi termal suatu siklus clan ka-lor spesifik,

sedang pendekatan sepotong-sepotong dipakai untuk melacak perubahan suhu pada

komponen oleh perubahan perbandingan tekanan (kompresi). Efisiensi, kalor spesifik

clan perubahan suhu ditampilkan pada monitor, sehingga mudah clan cepat untuk

dilakukan interpretasi. Analisis konversi energi sistem turbin gas HTR dengan HTR_l

dapat dilakukan cepat clan melibatkan lebih banyak variabel untuk dianalisis.

TEORI DASAR.

Akan diuraikan secara singkat, proses termodinamika siklus Brayton clan

Ericsson. Dalam uraian ini gas dianggap sebagai gas ideal clan proses di dalam siklus

dianggap adiabatis (tanpa panas keluar clan tanpa geseran). Untuk ini akan ditinjau

efisiensi clan kalor spesifik dari siklus.

77

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarta, 22 Nopember 2000 ISSN.. 0854 -8803

Pada akhir ekspansi, suhu gas sebesar T4 hila ekspansi berlangsung isentropik. Tetapi

karena ekspansi her langsung non ideal, suhu gas akan menuju T4'. Selanjutnya setelah

gas dilewatkan regenerasi, suhu turun menjadi T4" clan oleh pendingin gas ini dibawa

menuju TI.o- Suhu pada akhir setiap proses dapat -dicari dengan teori kompresi dan

ekspansi isentropik suhu T2' (akhir kompresi) (1,2,3.4)

T4'

T

suhul \T

Entropi(S)

KeteranganKeterangan= Kompresor 2 = Turbin T = suhu awal; T2 = suhu ideal

4 = Reaktor T2'= suhu non ideal' T2"= suhu,3 = Regenerator

keluar dari regenerator5 = Pendingin

T3 =suhu gas keluar HTR

T4 = suhu ideal; T4'= suhu qon

non ideal

Gambar 2. Diagram T -8 BraytonGambar 1 Blok diagram siklus Brayton.

: 1 + (r W

-suhu T2" (setelah regenerator) (5)

1)T2' = Tl { -l)/Tlc}

T2" = T2' + l1R (T4'- T2')

-suhu T4' (akhir ekspansi) (1,2,3,4)

T4' = T3 { 1-lle(l- l/r ")}

-suhu T4" (seielah regenerator) (5)

T4" = T4' -llR(T4' -T2') 4)

78


dimana w = CX-I)/X ; X = rasio panasjenis gas; lle = efisiensi ekspansi isentropikllc = efisiensi kompresi isentropik ; llR= efektivitas regenerator

r = perbandingan tekanan (kompresi )

Proses Ericsson dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4 berikut.

/T

~

Entropi (8)

Keterangan= Kompresor 2 = Turbin

Keterangan :

Tl = suhu awal; T2' = suhu ideal

4 = Reaktor3 = Regenerator T2"= suhu keluar regenerator

5 = Pendingin 6 = Reheater T3 = suhu gas keluar reheater

T 4' = suhu non ideal

Gambar 3. Blok diagram siklus Ericsson. Garnbar 4. Diagram T -S Ericsson

Pelacakan suhu seperti pada siklus Brayton yang dinyatakan oleh persamaan 1) sampai

4), tetapi dengan harga kompresi berbeda. Pada siklus Ericsson kompresi pada turbin

dapat berbeda dengan kompresi padakompresor. Harga kompresi dinyatakan dengan :

rc=r1/(nC+l) ..5)

re = r 1/ (ne+1)

dimana : f = kompresi total; fc = kompresi pada kompresor ; fe = kompresi pada turbin

nc = jurnlah tingkat pendinginan; ne = jurnlah tingkat reheater

79


Pada siklus Brayton daya neto yang dibangkitkan dinyatakan dengan ( I )

Wt = MCp [ {l1eT3ffl -r w/l1c] [ 1- 1/r\v }].6)

Panas masuk yang diberikan HTR adalah panas total sistem, dinyatakandengan (1)

Ws = MCp T3(I-llR{I-lle (1-l/r'V)}] -TI(I-llR){I+(rW-I)/lle} .7)

Pada siklus Ericsson, daya neto turbin dinyatakan dengan ( 1 ):

Wt = MCp T311e(ne+l)(l-1/reW) -Tl{(nc+l)/nc} {rcW -I} .9)

Dan daya total yang diberikan HTR dinyatakan dengan ( 1 ):

Ws = MCp [ T3[(ne + 1) -(ne + l1R){1-11e(1-1/reW)}] -T1(1-11R){1+(1/11e)(rcW -1)}]

10)

Efisiensi pada kedua siklus dinyatakan dengan ( 1,2 ):

11 =Wt/Ws 11)

dimana : ~ = laju aliran gas; Cp = panas jenis gas pada tekanan tetap

Wt = clara neto sistem ; Ws = clara total sistem ; 11 = efisiensi termal sistem

Daya spesifik = Wt / M 12)

Dari persamaan 1) sampai 12), harga efisiensi clan kalor spesifik merupakan fungsi dari

banyak variabel. Analisis secara manual akan memerlukan banyak waktu clan melelah-

kan. Untuk itu analisis dilakukan dengan program HTR_l

80

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla. 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803

PROGRAM HTR 1.-

Program HTR_I untuk analisis konversi energi turbin gas dibagi menjadi dua

kelompok. Kelompok pertama untuk menampilkan efisiensi clan kalor spesifik baik un

tuk. siklus Brayton maupun slklus Ericss~n. Pada kelompok pertama ini efisiensi clan

kalor spesifik ditampilkan dalam grafik Besaran vs Kompresi Selain itu juga untuk

mendapatkan harga optimum sistem, baik dipandang dari segi efisiensi maupun oar

segi kalor spesifik. Kelompok kedua menampilkan perubahan suhu pada sisi masukan

clan keluaran komponen yang ditampilkan pada diagram Suhu vs Entropi clan pada

diagram kotak (block diagram). Pada kelompok ini perubahan suhu ditampilkan

sebagai fungsi kompresi dengan besaran lain ditahan tetap. Berbeda dengan kelompok

pertama, perubahan kompresi tidak dilakukan serentak dari yang terkecil sampai yang

terbesar tetapi dilakukan selangkah-selangkah agar besarnya suhu dapat diamati.

Dengan cara ini perubahan suhu pacta sisi masukan dan keluaran komponen

udah diikuti clan dengan begitu efektivitas regenerator dapat diikuti dengan cermat.

Kelompok ini lebih diarahkan untuk mendalami proses konversi energi baik pada

siklus Brayton maupun siklus Ericsson. Program komputer ini ditulis dengan bahasaBASIC clan dikompile dengan Visual Basic 5.0 .( 6 ) Alur progam dapat dilihat pada

Lampiran.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tampilan program kelompok pertama dapat dilihat pada Gambar 5 sampai

Gambar 8 clan setiap perubahan masukan diproses kurang dari satu detik. Di sisi kiri

tampilan terda-pat ikon perintah clan kotak isian. Di sisi kiri atas terdapat pilihan media

operasi (H2,He, N2,CO2,Udara clan Uap air). Untuk gas CO2 dan Udara harga efisiensi

Untuk kedua siklus,clan kalor spesifik dapat dilihat pada Gambar 5 clan Gambar 6.

efisiensi clan kalor spe-sifik dapat dilihat pada Tabel 1 Dan Gambar 5, Gambar 6 dan

Tabell, tampak bahwa harga efisiensi clan kalor spesifik merupakan fungsi kompresi.

Harga kompresi pada mak-simum efisiensi clan maksimum kalor spesifik dicapai tidak

bersamaan. Untuk gas CO2, maksimum efisiensi dicapai pada kompresi 4.8,

sedangkan untuk kalor spesifik dicapai pada 6.4. Untuk media udara masing-masing

pada 3.2 dan 4.4. Pada kondisi op~imum ini kalor spesifik yang diberikan udara lebih

besar dari kalor spesifik yang diberikan CO2. Tetapi harga maksimum baik efisiensi

81

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakal1a, 22 Nopember 2000 ISSN.. 0854 -8803

maupun kalor spesifik bukanlah pertimbangan sa-tusatunya dalam memilih daerah

operasi, karena masih harus dipertimbangkan pula ukur-an komponen. Makin tinggi

kompresi, ukuran komponen makin kecil Bila siklus diope-rasikan di atas kompresi

optimum, gas CO2 lebih menguntungkan dibanding udara karena efisiensi clan kalor

spesifik CO2 lebih besar dari yang diberikan udara. Tetapi pada si-klus Ericsson yang

ditampilkan pada Gambar 7 clan Gambar 8, pemakaian udara lebih menguntungkan

dibanding CO2.

Tampilan program kelompok kedua dapat dilihat pada Gambar 9 sampai

Gambar 16. clan setiap perubahan akan diproses kurang dari satu detik. Gambar 9, '10,

3 clan 14 menunjukkan suhu pada kompresi sebesar 3. Sedangkan Gambar 11

Gambar 9 ,10 menunjukkan bahwa

, 12, 15

clan 16 menu-njukkan suhu pada kompresi 4.

efektifitas regenerator siklus Brayton pada harga kompresi 3 masih cukup tinggi karena

suhu gas saat keluar turbin masih jauh lebih tinggi dari suhu gas yang keluar dari

kompresor

Gambar 5. Efisiensi Udara clan CO2pada siklus Brayton

Gambar 6. Kalor spesifik Udara clanCO2 untuk siklus Brayton

82

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803

.~4

~

¥..r...

3Ir11;~

l,':lz: .2~lj'~.f:'J.,~~{f)~IENSI

j:f.1~i' it

1L

..~7

~Jic

PRESSURE RATIO -);1"'2--'-+t:2;':;-"-'-'-'-'.'-'--'1'j_1---".;';-'-'~

.01'-1:2'

5.2

Ijjij::

~j

j2f.i~

Gambar 7. Efisiensi Udara clan CO2 Gambar 8. Kalor spesifik Udara dan

pada siklus Ericsson CO2 untuk siklus Ericsson

83

rosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur Tingglogyakana. 22 Nopember 2000 ISSN: 0854 -8803

Ef;;;erm: .2729 ~HniBn,i : ,2729

orCA700

:5.fp~-,,""48)

iUHU (oq4111.G

,r

1«4

2~.~KOMPAESOR 1URB)N

~$

4()

514.8\41.~0llN6

4j) ENT{lO'"

Gambar 9. Blok diagram perubahan suhupada siklus Brayton ( kompresi = 3 )

Gambar 10. T -S diagram perubahansuhu pada siklus Brayton (kompresi = 3)

~mi :.233

Rwroit7110

333;7;1£f\£(;(iI..~..

.}~'S'"J.q.1:

/:",'7 333.7311,3

320.9

i

26f,I:OWPRESOR TURBIN

40

J.J(.13CJJOU~"

":

'.;i

Co :

';f;,;[NTROPl.0 ,

Gambar 1 Blok diagram perubahan suhupada siklus Brayton (kompresi = 4)

Gambar 12. T -$ diagram perubahansuhu pada siklus Brayton (kompresi = 1 4)

84


700 '-' V ';" A~"',... ~,. ,..., .,

j"" '\.":;"'$ 5Eti"'oU::lfEi1

,-.7

~.1j

(.SU!iU1~CI

T

"',12.4

i ",.,dG3.7""""""'~..",~ ,:":::3r__~_~.~~-~-~-

Gambar 13. Blok diagram perubahan suhupada siklus Ericsson ( kompresi = 3 )

Gambar 14. T-S diagram perubahansuhu pada siklus Ericsson (kompresi = 3

Elit!~Mi:'.JnJ

;r

i~

~.~f,/

rSUHU(oCl

:,';";;~4.1

7-,,--:{~ t;NJRIiPi

Gambar 15. Blok diagram perubahan suhupada siklus Ericsson (kompresi = 11.4)

Gambar 16. T -S diagram perubahansuhu pada siklus Ericsson (kompresi = 11.4)

85


perubahan suhu pada sisi ma-suk clan keluar komponen. Gambar 9 clan 11 untuk siklus

Brayton dengan kompresi 3 clan 11,4 sedangkan Gambar 13 clan 15 untuk siklus

Ericsson. Gambar 10,12, 14 clan 16 mem-perlihatkan diagram Suhu vs Entropi.

Gambar 10 clan 12 memperlihatkan diagram -Suhu vs Entropi untuk siklus Brayton

sedangkan Gambar 14 clan 16 untuk siklus Ericsson. Pada Gambar 15 clan dan16

efektivitas regenerator pada kompresi

,4

pada siklus Ericsson masih tinggi karena

perbedaan suhu gas saat keluar turbin dan suhu gas saat keluar kom-presor masih,,' ./---,n~, 'tlnggl ( )j l.b -(..;). Hal Illl dlsebabkan oleh kompreSl yang rendah pada se-tlap tingkat

baik pada turbin maupun kompresor. Lihat persamaan 5). Perubahan suhu pada sisi

masuk clan sisi keluar komponen pada Gambar 9 sampai 16, mudah diikut i kare-na

perubahan kompresi sebesar 0.2 dilakukan selangkah selangkah. Selain itu, perubahan

kompresi dapat dilakukan positip (kompresi bertambah) maupun negagatip ( kompresi

tu-run). Gambar 9 sampai 16 dimaksudkan untuk mempelajari kemampuan konversi

darienergi pada siklus Brayton clan Ericsson, baik segl kompresi, media gas,

suhu jumlah intercooling (pendinginanreheater maupunoperas!perbedaan

kompresor)

Validasi program dilakukan dengan perhitungan tangan (dengan kalkulator)

meliputi per- .samaan 1) sampai dengan 4). Hasil yang didapat dibandingkan dengan harga yang ada

pacta Tabel

KESIMPULAN

Analisis konversi energi turbin gas HTR dengan pro grain HTR. akan melibatkan

lebih banyak variabel untuk dianalisis karena hasil perhitungan ditampilkan baik

berupa angka maupun berupa grafik dengan lebih cepat. Selain itu sifat clan batas

efektifitas sua-tu komponen dalam sistem yang bekerja menurut suatu siklus energi

dapat pula dipela-jari dengan lebih mudah

UCAPAN TERIMA KASm

Kami sampaikan terima kasih kepada KPTF P2PN yang telah membantumenyempurnakan makalah kami ini.

86

Prosiding Seminar ke-5 Reaktor Temperatur TinggiYogyakarla, 22 Nopember 2000

ISSN: 0854 -8803

ACUAN1. M.M.EL-WAKIL, Nuclear Energy Conversion, Intext Educational Publisher, New

York USA, 1971.2. E.T.VINCENT, The theory and design of Gas Turbin and Jet engines, Mc Graw

Hill Book Company Inc, New York, USA, 1950..ENRICO FERMI, Thermodynamics, Dover Publications Inc, New York, USA,

1956.GEORGE P.SUTTON, Rocket Propulsion Elements, John Wiley and Sons Inc,New York, USA, 1963.

). M.MIKHEYEV, Fundamental of Heat Transfer, Peace Publishers, Moscow, USSR.S. EV ANGULOS PETROUTSSOS, Mastering Visual Basic 5.0, Sybex, San

Fransisco USA, 1997.

3

4

,f

ALUR PROGRAM HTR-l

MULAI

Gambar 17. Alur logika program HTR-

87


DISKUSI:

I. PERTANYAAN: (Arbi I?imyati -P2SRM) "

.Bagaimana cara penentuan 17 Isentropik dalam program yang dipakai/dibuat lalu

bagaimana dengan pengaruh jenis turbin terhadap 1] Isentropik ?

JA W ABAN: (Jr. Utaja)

Pada dasamya efisiensi isentropic (1z) merupakan masukan, jadi sudah tersedia

.

tetapi bila belum ada, harga efisiensi dapat dihitung dengan program tambahan

pada program induk dengan masukan suhu input dan suhu output system

pengaruh tipe turbin tidak sebagai masukan, tetapi diwaki/i o/eh efisiensi.

ll. PERTANYAAN: (Dr. Asmedi Suripto-P2TBDU)

dalam analisis termodinamik dipertimbangkan memakai contoh

.

Mohon agar

media yang beanr-benar "making sense" CO2 masih bisa diterima, tapi udara

sarna sekali tak bisa digunakan seyogyanya, lakukan analisis dengan contoh He

& CO2 saja.

JA W ABAN: (Jr. Utaja)

Terima kasih alas sarannya sangat mudah bocor (EM kecil) se./ainitu untuk

.

system ini udara hanya mengalir dibagian sekunder/selain itu untuk kompresi

tinggi dan daya besar gas He memerlukan tingkat {ebih ban yak dari gas CO2

ataupun udard.

ffi. PERTANYAAN: (Dr. Zaki Su'ud -ITB)

.

Sebaiknya program dibuat agar dapat melakukan optimasi tertentu vital t-outlet

reactor tetap. Berapa efisiensi maksimalnya clan bagaimana kondisinya ?

.Pengembangan lebih lanjut dengan mempertimbangkan beberapa model yang

lebih dekat dengan relitas proses di alat.

.Bagaimana validasinya ?

.Sebaiknya program dibuat dapat di set untuk gas barn missal He atau lainnya.

88


JA W ABAN: (Ir. Utaja)

.

Untuk I-outlet reactor tetap, efisiensi dan daya spesifik memang dihitung untuk

harga lain akan diimplementasikan.

.

Akandicoba dengqn,l:fiskusi dengan kmvan seprofesi, model yang lebih pas.

..

Validasi dengan perhitungan tangan untuk beberapa titik.

Terima kasih alas usulnya program berikutnya akan memasukan gas-gas lain.

89

KONVERSI ENERGI SISTEM TURBIN GAS HTR Utaja

Documents

Transcript of KONVERSI ENERGI SISTEM TURBIN GAS HTR Utaja