BAB VSIKLUS-SIKLUS DAYA UAP

5.1. SIKLUS CARNOT

Siklus Carnot yang ditemukan oleh Sadi Carnot, mempunyai efisiensi terbaik dibandingkan dengan siklus lainnya. Gambar 5.1. menggambarkan diagram T-S dan P - V dari siklus Carnot yang terdiri dari 4 rangkaian proses reversible :

Gambar 5.1. Siklus Carnot

Proses 1-2. Kompresi secara adiabatik dari suhu T1 ke T2 dan dari volume v1 ke v2. Proses 2-1. Penambahan kalor secara isotermis pada suhu konstan T2, fluida kerja

berekspansi dari v2 ke v3. Proses 3-4. Ekspansi secara adiabatik dari suhu T2 ke T1 dan dari volume v3 ke v4. Proses 4-1. Pembuangan kalor secara isotermis pada suhu konstan T2, fluida kerja

dikompresikan dari volume v4 ke v1.

Kalor yang dimasukan :

Kalor yang dibuang:

Kerja luaran :

Efisiensi Carnot

(5.1)

Dari diagram T-S:

Efisiensi :

1. Untuk sebuah mesin yang bekerja sesuai dengan siklus Carnot, efisiensinya tergantung pada besarnya beda suhu saja dan tidak tergantung pada sifat-sifat fluida kerja yang merupakan gas ideal.

2. Efisiensi bertambah jika T2 meningkat. Pada turbin uap dan mesin-mesin uap, perencana mesin berupaya supaya suhu T2 sertinggi mugkin dengan cara memanas lanjutkan uap, dan suhu T1 serendah mungkin untuk pembuangan kalor dengan mempergunakan kondensor.

3. Efisiensi siklus Carnot meningkat sesuai dengan meningkatnya suhu T1 dan mencapai 100 % bila T1 = 0 absolut.

4. Adalah tidak mungkin mengkontruksikan suatu mesin yang bergerak secara perlahan pada saat penambahan kalor dengan suhu konstan, dan tiba-tiba bergerak secara sangat cepat pada saat ekspansi adiabatik selama langkah kerja. Oleh karena itu tidak mungkin torak dapat bergerak dengan perubahan kecepatan sedemikian.

5.2. SIKLUS RANKINE

Siklus teoritis yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus Rakine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. oleh karena itu fluida kerja untuk siklus Rankie harus merupakan uap. Diagram T-S dari siklus rankine digambarkan dalam gambar 5.2.

Rankaian siklus Rankine adalah :Proses 2’ - 1’.

Air kondensat pada tekanan rendah P1 ditunjukkan oleh titik 2’, dipompakan kedalam ketel uap mencapai tekanan tiggi P2 dinyatakan oleh titik 1’. Proses 2’-1’ tidak reversible karena air menerima kalor pada suhu dan tekanan yang tinggi selama proses ini.

Proses 1’ - 1.Air pada titik 1’ diubah menjadi uap dalam ketel uap pada tekanan konstan,

keadaan pada titik mungkin uap basah, uap kering atau uap panas lanjut.

Gambar 4.2. Diagram T-S siklus Rankine

Proses 1 - 2Uap diekspansi secara reversibel adiabatik dari 1 ke 2 dalam sebuah mesin

uap atau turbin uap.

Proses 2 - 2’.Uap yang keluar dari mesin uap atau turbin diubah menjadi air kembali

mencapai titik 2’ sebagai penutup dari satu siklus.Efisiensi panas.

Kerja yang dilakukan w ditunjukan oleh luas (1 – 2 - 2’ – 1) dari siklus Rankine, yang dikenal sebagai kerja Rankine, dan dinyatakan dengan :

(5.2)dimana:

n = 1,135 untuk permulaan uap basahn = 1,3 untuk permulaan uap kering

Dalam praktek sebenarnya siklus Rankine dilaksanakan pada sebuah ketel uap dan mesin uap atau turbin. Air diubah menjadi uap dalam sebuah ketel uap dan diekspansikan dalam sebuah mesin uap atau turbin, dikondensasikan dalam sebuah kondensor menjadi air panas yang kemudian dipompakan kembali kedalam ketel uap sebagai proses penutup satu siklus Rankine.

Bila :w = kerja turbin – Kerja untuk pompa = (h1 - h2) – (h1’ - h2’) (5.3)

Kalor yang diberikan dalam ketel uap :

q = (h1 - h1’) (5.4)Efisiensi panas

(5.5)

Bila kerja untuk pompa diabaikan, maka efisiensinya :

karena

(5.6)

Siklus Carnot dan Rankine

Untuk beda suhu yang sama, siklus Rankine mempunyai efisiensi yang lebih kecil dari siklus carnot. Dengan peningkatan tekanan maksimum dan penurunan tekanan keluar, maka efisiensi masing-masing siklus makin tinggi. Pemanasan lanjut, merupakan peningkatan suhu rata-rata pada saat penambahan kalor dari siklus, akan meningkatkan efisiensi. Dalan siklus Rankine pemanasan lanjut mudah dilaksanakan ,tetapi pada siklus Carnot pemanasan lanjut harus pada suhu konstan. Selama pemanasan lanjut tekanan akan turun yakni karena kalor dipindahkan ke uap pada saat uap berekspansi melakukan kerja, maka kalor sukar untuk dipindahkan. Sukar untuk memompakan campuran cairan dengan uap pada titik 3’ untuk mencapai titik 4’ pada garis cairan jenuh, tetapi lebih mudah mengkondensasikan uap dan kemudian mengalirkan kondensat dengan pompa mencapai tekanan ketel uap, sehingga siklus Rankine adalah siklus ideal dari pembangkit daya uap.

5.3. Modifikasi siklus Rankine

Perhatikan ujung diagram P - V pada 2 – 3 – 3” dari siklus Rankine (gambar 4.3) untuk memanfaatkan kerja ini, volume silinder harus diperbesar dari v2 ke v3” menyebabkan silinder semakin besar. Ekspansi dibatasi sampai v2 ;proses 2-3 adalah pelepasan uap dari P2 mencapai P3.

Kalor yang dimasukkan:q= h1 - hf2 (5.6)

Gambar 5.3. diagram P - V dan T - S dari modifikasi siklus Rankine

Kerja yang dilakukan

(5.7)

Efisiensi

(5.8)

Rumusan efisiensi tersebut dengan mengangap kerja untuk pompa W diabaikan. Bila kerja tersebut diperhitungkan juga, maka efisiensi pada Rankine menjadi :

(5.9)

Contoh 5.1. Mesin uap kondensasi mempergunakan uap pada 15 kgf/cm2 dan 300ºC.

Tekanan kondensor adalah 0,3 Kgf/cm2. Uap diekspasikan secara isentropik dan di lepaskan pada tekanan 1,5 kgf/cm2. Hitunglah :

(i). Kebutuhan uap setiap jam daya kuda (hp-hr), (ii). Mep, (iii). Esfisiensi panas dari siklus, (iv) Jumlah kalor yang dibuang ke kondensor untuk setiap kilogram uap.

Sifat-sifat uap dapat diambil dari tabel uap.P hf hfg hg vg sf sfg sg

0,3 68,3 - - - 0,341 1,386 -

1,5 111,0 532,1 643,1 1,18 0,341 - -

15 3000C - 724,7 - - - 1,653

Penyelesian :

kerja per kg uap:

(iv) Kalor yang dilepaskan kondensor

5.4. SIKLUS UAP BINER (BINARY VAPOUR CYCLE)

Efisiensi dari siklus Rankine dapat ditingkatkan dengan meningkatkan suhu rata-rata pada penambahan kalor dan menurunkan suhu rata-rata pada pelepasan kalor. Akibat adanya kendala bahan, maka suhu maksimum dibatasi hanya sampai 650 oC dan pada tekanan rendah. Hal ini untuk keamanan kerja dari ketel uap dan turbin. Suhu kritis air adalah 374 ºC. Untuk mencapai suhu 650 ºC uap dipanas lanjutkan pada tekanan 40 atm. Tekanan ini sangat tinggi bagi keamanan kerja dari ketel uap. Untuk suhu yang sangat tinggi pada tekanan boiler, tekanan rendah membutuhkan derajat pemanasan lanjut yang tinggi, sehingga menurunkan suhu rata-rata penambahan kalor, dengan demikian mengurangi efisiensinya. Dan akibat panas laten dari penguapan berkurang bila tekanan dipertinggi, maka jumlah kalor yang dimasukkan persatuan massa dari fluida kerja berkurang pada tekanan tinggi.

Untuk suhu minimum, tekanan saturasi air pada 25 ºC adalah 0,0324 atm atau jauh lebih kecil dari tekanan atmosfer, hal ini menghendaki sebuah kondensor bekerja pada tekanan vacum. Pada tekanan vacum yang tinggi berarti kebocoran udara kedalam kondensor semakin tinggi. Tekanan saturasi yang tinggi diatas atmosfer diperlukan sesuai dengan suhu minimum pada kondensor. Berarti bahwa fluida kerja untuk siklus Rankine harus memenuhi syarat-syarat sebagi berikut:

1. pada suhu maksimum, suhu saturasi harus sewajarnya.2. garis uap jenuh yang curam akan mengurangi kandungan air dalam uap

(moisture)3. tekanan saturasi lebih tinggi dari atmosfer pada suhu minimum siklus

4. kalor spesifik rendah, sehingga jumlah kalor maksimum yang dimasukkan menghasilkan suhu yang maksimum.

5. tidak korosif dan tidak beracun.

Gambar 5.4. Diagram skematis dari siklus uap biner

Prasyarat-prasyarat tersebut tidak terpenuhi oleh satu macam fluida kerja untuk mendapatkan hasil yang optimal. Dua jenis fluida kerja, yaitu air dan air raksa dipergunakan dalam siklus uap biner. Air raksa mempunyai tekanan uap sedang yaitu 14 atm pada suhu 540 ºC stabil, tetapi beracun dan mahal, diagram skematis dari siklus biner uap air dan air raksa, ditunjukkan dalam gambar 5.4 dan diagram T-S dalam bgambar 5.5. pada siklus demikian terdapat dua lintasan antaranya untuk air raksa dan uap air. Uap air raksa kering dan panas lanjut dari ketel, uap air raksa masuk ke turbin air raksa pada titik 3, ekspansi ke titik 4 dan terkondensasi ke titik 4 dalam kondensor. Kondensat dipompa kembali ke ketel uap, lalu terbentuk siklus lengkap air raksa. Kalor yang dilepaskan oleh kondensor air raksa dipergunakan untuk mengeluarkan air menjadi uap air dan berfungsi sebagai uap air. Suhu kondensasi air raksa cukup tinggi dibandingkan dengan temperatur penguapan air, dimana tidak terdapat kesulitan didalam proses perpindahan kalor. Uap air jenuh dipanas lanjutkan dengan suatu aliran gas panas sebuah ketel uap sebelum masuk ke turbin uap pada titik 1 dan berekspansi ke titik 2, lalu terkondensasi ke titik 2’, kemudian air dipompa kembali ke ketel uap membentuk siklus uap air.

Bila m kilogram air raksa dipergunakan untuk setiap kilogram air, kalor yang dilepaskan dalam kondensor air raksa mengalirkan air mencapai keadasan jenuh, keadaan 5 dalam ketel uap (gambar 5.5)perpindahan kalor adalah efektif karena perbedaan suhu dalam kondensor air raksa dan air yang diuapkan cukup tinggi.

Gambar 5.5. T – S Diagram siklus uap binary

m(h4 - h4’) = (h5 - h1’)

Kerja untuk pompa pada siklus turbin uap diabaikan .

kerja netto w’ setiap kg aliran uap air adalah penjumlahan kerja dari turbin air raksa dan turbin uap air dikurangi kerja yang diperlukan untuk pompa air raksa dan pompa air.

w’ = (h1 - h2) - (h1’ - h2’) + m(h3 - h4) - (h3’ - h4)

Abaikan kerja yang dibutuhkan oleh kedua pompa tersebut.

w = (h1-h2)+m(h3-h4)

kalor yang dimasukan ke ketel uap air raksa dan untuk aliran gas sebagai pemanas lanjut pada ketel uap air pada setiap kg uap air q:

q’= (h1 - h6) + m(h3 - h3’)q’= (h1 - h6) + m(h3 - h4’)

karena h3’ = h4’

efisiensi panas n =

contoh 5.2.Sebuah pembangkit daya siklus uap biner mempergunakan uap air raksa dan

uap air. Batasan suhu dan siklus air raksa adalah kering dan jenuh pada suhu tertinggi. Dalam kodensor air raksa, air raksa mengembun dan memberikan kalor kondensasinya ke air masukan yang berubah menjadi uap jenuh kering. Sebuah pemanas lanjut dengan aliran gas panas memanaskan uap air mencapai suhu 400 oC. Suhu air dinaikan mencapai 205 oC dalam pemanas mula (Economizer) sebelum masuk ke kondensor air raksa. Siklus uap air bekerja antara suhu 26,4 oC dan 400 oC. Hitunglah efisiensi dari pembangkit daya tersebut. Sifat-sifat dari uap air raksa sebagai berikut :

P t0C hf hg sf sg

uap air 0,035 24,6 26,4 608,9 0,092 2,037

17,5 205 208,7 667,7 0,576 1,52817,5 400 - 776,5 - 1,721

uap air raksa

- 205 6,92 78,7 0,0188 0,1675

- 540 1,80 87,3 0,0363 0,1217

Penyelesaian : (lihat gambar 5.4.)

Turbin uap air :

h1 = 776,5

h2 = 26,4+0,84 × (608,9-26,4) = 515,7w = h1-h2 = 776,5-515,7 = 260,8

Turbin air raksa :

Kondensor air raksa:

Pada 17,5 kgf/cm2, uap hfg = 667,7 – 208,7 = 459,0Bila M adalah masa air raksa,

M × 0,693 × 71,8 = 459 M = 9,35 kg air raksa/kg uap air.

Pembangkit daya :

Kerja total per kg uap air := h1-h2 + M (h3-h4)= 260,80+9,35×30,64 = 546,80

kalor yang dimasukan

4.4. SIKLUS EKSTRAKSI AIR REGENERATIF menghilangkan kandungan air dari tingkat tekanan rendah (L Ptingkat) suatu

turbin uap tekanan tinggi adalah sebagian atau seluruhnya diserap atau diekstraksi dengan beberapa penjerat sepanjang aliran air dalam tingkat-tingkat yang basah. Hal ini untuk menghindari terjadinya masalah pengikisan atau erosi. Gambar 4.5 menunjukan skema dan diagram Mollier dari siklus dengan ekstraksi air.

Pada diagram Mollier 1 - 4” terlihat kondiasi kurva untuk siklus tanpa modfikasi. Disini dianggap bahwa terjadi ekstraksi sempurna pada tekanan p2 dan p3, sampai pada titik 2. Jumlah air yang diekstraksi adalah (1 - x2), dimana x2 adalah kualitas uap pada titik 2.

x2 = massa uap yang masuk ke turbin H, berekspansi sepanjang 2’-3 dan mencapai kualitas kualitas uap x3

Aliran uap masuk ke turbin III = x2 x3

juga ekstrasi pada kondensor = (1 – x2 ) x3. Diambil kesetimbangan kalor pada batas system:

1 × hfg= (1-x2) hf2 + x2 (1-x3) hf2 + x2 - x3hf4

= hf2 – x2 [hf2 – (1-x3) hf3 – x3hf4]= hf2 – x2 [hf2 – hf3 + x3hf3 - x3hf4]= hf2 – x2 (hf2 – hf3) + x3(hf3 - hf4)

Kerja turbin internal, w :

w = (h1-h2) + x2(h’2-h3) × x2x3(h’3-h4)

Kalor yang diberikan : q = (h’1 – hfg)

Efisiensi panas = w/q

Tanpa ekstraksi air w’ = (h1-hg)q’ = h1-hf4

n’ =

Gambar 4.5. Sekema siklus ekstraksi air danDiagram Mollier

4.5. SIKLUS PEMANASAN KEMBALI

Selama ekspansi dalam turbin uap, uap air menjadi basah. Uap dikeluarkan pada titik pada titik 2 (Gambar 4.6.) pada saat menjadi basah dan dipanaskan kembali pada tekanan konstan dengan aliran gas panas uap panas sampai menjadi uap panas lanjut yang suhunya sama dengan suhu sebelum berekspansi.

Gambar 4.6. diagram skematis siklus pemanasan kembali satu tingkat

Uap masuk kembali ke turbin dari titik 2’ dan berekspansi mencapai tekanan kondensor 3. umumnya uap berekspansi melalui beberapa tingkat dan dipanaskan kembali pada setiap tingkat-nya. Alat pemanas kembali dapat disatukan dengan dinding ketel uap atau mungkin dengan pemanas lanjut dengan pembakaran terpisah.

Keuntungan dari pemanasan kembali adalah untuk menghindari trjadinya korosi, pengikisan, penigkatan kualitas uap peningkatan efisiensi sudu dan nosel, efisiensi panas dan daya luaran. Tetapi biaya yang diperlukan untuk pemanasan kembali lebih besar dibandingkan dengan keuntungan yang didapat dari peningkatan efisiensi panas. Disamping itu pemeliharaan menjadi lebih banyak. Gambar 4.6. menunjukan siklus pemanasan kembali satu tongkat. Gambar 4.7. menunjukan diagram T-s dan h-s.

Uap panas lanjut pada suhu t1, tekanan p1 diekspansi secara isotropik ke titik 2s pada tekanan p2 dalam turbin uap. Jika dipertimbangkan efisiensi turbin, keadaan akhir adalah titik 2. akibat berekspansi, uap menjadi semakin turun suhunya dan kadang-kadang menjadi uap basah sebagimana ditunjukan pada gambar. Diperlukan pemanasan kembali mencapai titk 2’ pada tekanan sama p2 dan suhu t2 (bahkan kadang-kadang sama dengan suhu t1), dimasukan kembali ke turbin dan berekspansi

sampai mencapai tekanan kondensor p3. penambahan kerja luaran akibat pemanasan kembali ditunjukan dalam diagram-diagram T-s dan h-s sebagai luas yang diaksir. Dengan pemanasan klembali :

Kerja turbin :

Gambar 4.7. diagram T-s dan h-s siklus pemanasan kembali satu tingkat.

Kalor yang dimasukkan :

Efisiensi :

n’=

Tanpa pemanasan kembali dan dengan ekspansi isotropik :

Kerja untuk pompa.

Kalor yang dimasukan,

Efisiensi panas

n =

4.6. KERUGIAN TEKANAN PADA PEMANASAN KEMBALI

Perhatikan siklus pemanasan kembali satu tingkat (Gambar 4.8.). Effek throttlling bagi uap pada katup utama dari p0 ke p1 ditunjukkan dengan garis mendatar 0-1 yang menyatakn proses entalpi konstan pada diagram Mollier. Pada pipa-pipa pemanasan kembali dan pipa-pipa uap terjadi kerugian tekanan (p2-p2’ ) akibat adanya tahanan atau gesekan dalam saluran uap. Jatuh tekanan dianggap terjadi pada entalpi konstan. Pemanasan kembali uap dinyatakan dengan garis putus-putus 2-2’. Akhirnya uap diekspansi ke keadaan titk 3 yang mungkin berupa basah dengan kualitas uap v3. Ekspansi sebenarnya tanpa pemanasan kembali dapat ditunjukkan dengan garis 1-3’. Keadaan akhir dengan kualitas uap x3’,bila uap basah.

Gambar 4.8.Siklus pemanasan kembali satu tinggkat dengan

kerugian tekanan dalam pemanasan kembali.

Contoh 4.2.

Pada siklus pemanasan kembali, uap pada 100 kgf/cm2 dan 4000C diekspansi ke 20 kgf/cm2 dan kemudian dipanaskan kembali mencapai 4000C pada tekanan tetap, selanjutnya diekspansikan mencapai 0,1 kgf/cm2. hitunglah efisiensi panas dari siklus dengan anggapan efisiensi turbin adalah 90% dan proses-proses lainya adalah ideal.

Penyelesaian :

(lihat Gambar 4.8.)

Pada 100 kgf/cm2 dan 4000C, h1 = 739,8

dari diagram Mollier h2s = 654

Pada 0,1 kgf/cm2, vf = 0,00103m3/kg

efisiensi panas n1 :

contoh 4.3. Pemanasan kembali dengan uap jenuh.

Dalam contoh 4.2. uap jenuh memanaskan kembali uap yang keluar dari tingkat tekanan tinggi, sebelum masuk ke tekanan rendah pada tekanann konstan. Dianggap efisiensi mekanis turbin adalah 0,98 dan efisiensi altenator adalah 0,95. hitunglah laju aliran uap per kW-jam melalui turbin, jumlah uap total yang dihasilkan ketel uap, dan jumlah kalor yang dibutuhkan oleh turbin pada kW-jam.

Penyelesaian : (Gambar 4.9.)

Dari contoh 9.5.1.

Kerja turbin, w = 286,78 kcal/kg.

Gambar 4. 9. sekema pemanasan kembali dengan uap jenuh

Daya luaran alternator

Massa uap melalui turbin/kW-jam, m1:

Massa uap melalui pemanasan kembali, m2:

jumlah uap yang dihasilkan ketel uap

kalor yang dimasukkan ke turbin :

Contoh 4.4. pemanasan kembali uap panas sepanjang aliran masuk menuju turbin tingkat tekanan tinggi.

Pada contoh 4.2. diketahui kondisi uap keluar dari ketel uap 100 kgf/cm2. jika sepanjang aliran masuk menuju ke turbin tingkat tekanan tinggi yang dipergunakan untuk memanaskan kembali uap yang keluar dari tingkat turbin tersebut dan selanjutnya dimasukkan kembali ke tingkat turbin tekanan rendah, dianggap tidak terjadi kerugian tekanan dalam alat pemanas pemanas kembali dan sepanjang saluran dari ketel uap menuju alat pemindah kalor pada turbin.

Penyelesaian :

(Gambar 4.10)

Dalam contoh 1.5.1 didapat :

Kesetimbangan kalor masuk dan keluar pada alt pemindah kalor :

yang didapat dari tabel uap, merupakan suhu uap panas lanjut dengan entalpi h1’

Contoh 4.5.

Dalam contoh 4.2. ternyata terjadi kerugian kalor pada rumah turbin sebesar 2% dan kerugian tekanan pada alat pemanas kembali sebesar 1kgf/cm2. untuk menghitung efisiensi panas turbin, efisiensi total dan aliran massa uap per kW-jam, diambil efisiensi generator = 0,95.

Penyelesaian :

(Gambar 4.10)

dari diagram Mollier :

kondisi uap akhir,x3=0,865

4.7. SIKLUS UAP REGENERATIF

Dalam siklus Rankine,kalor dimsukkan ke fluida kerja pada fase cair 2’ke2 (Gambar 4.11) didalam ketel uap yag kemudian menguap selama proses 2-3. Suhu rata-rata saat pemasukan kalor dalam siklus rankine lebih rendah dibandingkan dengan siklus Carnot. Dengan pemanasan regenertif, suhu rata-rata saat pemasukan kalor dari siklus meningkat dan terletak antara 2’dan 2.

Perhatikan sebuah siklus dengan regeneratif yang ideal. Garis-garis 2’- 2 dan garis ekspansi uap 3-5 adalah betul-betul berbentuk sejajar dari alat pemindah kalor. Perpindahan kalor adalah dari uap ke cairan. Suhu uap pada setiap titk sepanjang garis sedikit lebih tinggi dari suhu cairan. Dengan demikian proses adalah reversible. Juga ekspansi 5-4’ dan kompresi cairan dari 1’ ke 2’ adalh isentropik

Gambar 4.11.Siklus Regeneratif Idial

sehingga luas diagram dibawah 3-5-4’ dan 2-2’-1 harus sama. Hal ini membuktikan bahwa penambahan kalor terjadi pada suhu yang lebih tinggi T1 dan pembuangan kalor pada suhu yang lebih rendah T2. sehingga efisiensi dari siklus modifikasi regeneratif adalah sama dengan siklus Carnot. Dengan catatan bahwa kalor diberikan dalam ketel uap ke fluida kerja dari 2 ke 3 adalah sama dengan kedua kejadian diatas.

Siklus ideal tidak dapat dipraktekkan, karena tidak mungkin memindahkan kalor dari uap yang berekspansi kedalam cairan yang terjadi pada turbin itu sendiri. Hal tersebut akan mengakibatkan terjadinya kandungan air atau kelembapan yang berlebihan (excessive humidity) dalam tingkat tekanan rendah turbin.

Untuk membuat fenomena tersebut lebih dapat dipraktekkan, pemanasan air pengisi dilakukan dengan cara menyemprotkan sejumlah kecil massa uap pemanas setelah uap berekspansi sebagian. Cara tersebut dapat dilakukan setidak-tidaknya pada titik-titik lokasi penyemprotan uap untuk pemanasan air pengisi. Berbagai perlengkapan untuk pemanasan air pengisi dapat digolongkan sebagai pemanasan tertutup, pemanasan terbuka, satu tingkat dan bertingkat banyak.

4.7.1. pemanasan air pengisi dengan satu tingkat, tertutup, penyemprotan uap dan pemompaan ke saluran air pengisi setelah melewati tiap alat pemanas tersebut.

Siklus yang ditunjukkan dalam gambar 4.12 adalah dari tipe tertutup. Uap pemanas dan air pengisi dipanaskan dengan kontak yang tidak langsung. Air pengisi didalam pipa-pipa melewati pemanas-pemanas yang disemprot dengan uap untuk memanaskan air tersebut. Uap mengembun dan memberikan kalornya kepada air. Kondensat uap atau air pemanas dialirkan keluar dengan pompa pengisap dan ditekan masuk kesaluran air pengisi (feed water) sesaat setelah melewati pemanas tersebut. Dianggap perpindahan kalor dalam alat pemanas air pengisi terjadi dengan sempurna, yaitu :kondensasi uap dan air pengisi bersama-sama keluar dari alat pemanas pada kondisi 1.

Setelah memperhitungkan kesetimbangan kalor dalam alat pemanas air pengisi tersebut, kita dapatkan massa uap yang disemprotkan, m sebagai berikut :

mh1 + (1 – m) h’2 = 1 x h’2

m ( h1 – h’2) = h1 – h’2

h1 – h’2

m =

m =

Gambar 4.12. kerja turbin, w = ( h0 – h1 ) = ( 1 – m ) ( h1 – h2 )

= h0 – h2 – m ( h1 – h2 )

kalor yang dimasukkan dalam ketel uap, q = h0 – h1

= h0 – hf1

Efisiensi panas = w/q

Contoh 4.7. Hitunglah efisiensi siklus dari suatu pembangkit daya tanpa uap dengan

kombinasi pemanasan kembali dan pemanasan regeneratif dengan tekanan uap masuk 60 atm dan suhu 430o C. uap diekstraksi setelah berekspansi di dalam silinder tingkat tekanan tinggi mencapai tekanan 20 atm dan dipanaskan kembali mencapai 400o C. Uap diekspansikan kembali mencapai tekanan 0,07 kgf/cm2 dalam silinder tingkat tekanan rendah. Air pengisi dipanaskan pada suhu 175o C. kondensat uap pada alat pemanas regeneretif di pompa masuk ke dalam saluran air pengisi pada

titik setelah melewati alat pemanas tersebut. Anggap tingkat tekanan tinggi dari turbin mempunyai efisiensi sebesar 78 % dan efisiensi tingkat tekanan menengah 0,85 %.

Penyelesaian : po = 60 atmto = 4300 Cho = 777 kcal/kgp1 = 20 atm

Dari diagram h – s, h1’ = 708h1 = ho – 0,78 ( ho – h1s) = 777 – 0,78 ( 777 – 708 ) = 723, 18 kcal/kg

Dari diagram h – s, h1 = 775Dari tabel uap untuk suhu air sebesar 175o C, didapat

p2 =9,1h2s = 725 kcal/kgh2 = h1’ – 0,85 (h1’ – h2s)

= 775 – 0,85 ( 775 – 725 ) = 732,5 kcal/kghf2 = 177p3 = 0,07 atm

Dari diagram h-s, h3s = 532,3 h3 = h2 – 0,85 (h2 – h3s) = 732,5 – 0,85 (732,5 – 532,3) = 562, 33 kcal/kg hf3 = 38,7

Kesetimbangan kalor pada pemanas regeneratif :Mh2 + (1 – M ) h3’ =1 x h2’

Tetapi h3 = hf3

h2 = hf2

M =

=

= 0,2 w = (ho – h1) + (h1’ – h2) + (1 – M) (h2 – h3) = 777 – 723,18 + 775 – 732,5 + 0,8 (732,5 – 562,33) = 232,46

q = q1 + q2

= (h0 – hf2) + (h1’ – h1) = 777 – 177 + 775 – 732,18 = 651,82

Efisiensi =

=

= 0,36

4.7.2. Siklus regeneratif satu tingkat, pemanasan air pengisi tipe tertutup dengan sebuah pendinginan air.

Uap pemanas dengan massa m kg (gambar 4.13) dikondensasikan sempurna didalam alat pemanasan air pengisi. Kondensat ini kemudian melewati alat pendinginan alir menuju kondensor dan tercampur dengan kondensat utama dengan massa (1-m) kg yang menghasilkan massa total kondensat 1kg. Keseluruhan kondensat dipompakan dari titik 2’ menuju titik 2” dan dipanaskan mencapai titik 3 dalam alat pendinginan alir dan keluar pada titik 1’ setelah melewati regeneratif.

Dianggap terjadi perpindahan kalor secara sempurna didalam kedua alat pemanas tersebut, yaitu :

(i) Kondensat uap pemanas dan air pengisi, keduanya keluar dari regeneratif pada keadaan sesuai dengan titik 1’.

(ii) Dalam alat pendinginan alir, cairan yang masuk dari regeneratif didinginkan didalamnya mencapai suhu air pengisi pada saat masuknya pada keadaan titik 2”.

Kesetimbangan kalor pada regeneratif dan alat pendinginan alir melewati batas sistem sebagaimana ditunjukkan dalam gambar.

m (h1 – h2”) = 1 (h1 – h2”)kerja untuk pompa diabaikan,

h2” = h2’m (h1 – h2’) = 1 (h1’ – h2’)

m =

untuk mengetahui suhu air pada titik 3 setelah alat pendinginan alir, diperoleh kesetimbangan kalor pemanas air pengisi sebagai berikut :

m (h1 – h1’) = (h1’ – h3)

Di mana h3 merupakan entalpi air pada titik 3.

4.7.3. Siklus regeneratif satu tingkat, pemanasan air pengisi tipe terbuka (kontak langsung)

Sejumlah satuan massa uap pada titik 0 yang masuk ke turbin gas (gambar 4.14) melakukan krja dengan berekspansi dari titik 0 ke titik 1. pada titik 1, uap dengan massa m kg diekstrasi dari turbin untuk pemanasan air pengisi secara langsung dalam sebuah regeneratif. Dalam alat pemanas tersebut, uap mengkondensasi dan memberikan kalornya ke air pengisi. Massa uap pemanas diatur sedemikian, sehingga cairan yang keluardari regenerati pada titik 1’ adalah air

jenuh. Kerja untuk pompa diabaikan (h2” = h2’). Diperoleh massa uap pemanas m kg dengan memperhitungkan kesetimbangan kalor pada regeneratif sebagai berikut :

mh1 = (1 – m) h2” = h1’ m (h1 – h2”) = h1’ – h2” m =

Uap sisa (1-m) kg berekspansi dari titik 1 ke 2 menghasilkan kerja.kerja total turbin, w :w = ( h0 – h1 ) + ( 1 – m ) ( h1 – h2 ) = h0 – h1 – m ( h1 – h2 )

Uap kemudian mengkondensasi pada titik 2’ dalam sebuah kondensor. kondensat dipompakan ke regeneratif dan tercampur dengan kondensat uap pemanas ekstraksi dari turbin. Massa kondensat total kemudian dipompakan ke dalam ketel uap dengan pompa pengisi. Jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah keadaan air dari titik 1’ ke 0 diberikan oleh ketel uap. Titik 1” adalah keadaan air pengisi setelah pompa. Jumlah kalor yang diberikan padanya :

q = h0 – h1” h0 – h1’

Efisiensi panas,

n =

4.7.4. Siklus regeneratif dua tingkat, pemanasan air pengisi tertutup, uap pemanas dipompakan masuk ke saluran air pengisi pada lokasi-lokasi setelah melewati regeneratif.

Diagram skematis siklus tersebut digambarkan dalam gambar 9.6.7. Kesetimbangan kalor pada regeneratif pertama :

m1 (h2 – h2’) = (1 – m1) (1 – M) (h1’ – h2’)

m1 =

kesetimbangan kalor pada regeneratif kedua :m2 (h2 – h2’) = (1 – m1 – m2) (h2’ – h3’)

m2 = (1 – m1)

w = ho – h1 + (1 – m1) (h1 – h2) + (1 – m1 – m2) (h2 – h3)

= ho – h3 – m1 (h1 – h3) – m2) (h2 – h3) q = ho – h1’ n = w/q

contoh 4.7. Suatu pembangkit daya tenaga uap mempergunakan uap dengan 50 atm dan

400o C. tekanan kondensor adalah 0,1 atm. Untuk pemanasan air pengisi, uap disemprotkan pada tekanan 15 atm dan 3 atm. Untuk setiap bagian ekspansi, efisiensi turbin dapat diambil sebesar 0,85. anggap bahwa air pengisi yang keluar dari setiap regeneratif dipanaskan sampai suhu masuk uap pada pemanas tersebut. Uap pemanas dipompakan kesaluran air pengisi setelah melewati masing-masing regeneratif. Hitunglah berat optimal dari uap pemanas pada setiap tingkatnya dan efisiensi siklus tertutup tersebut.Penyelesaian : (gambar 4.14)

po = 50 atmto = 4000 Cho = hg0 = 763,80 kcal/kgp1 = 15 atmh15 = 692 (dari diagram Mollier)h1 = h0 – 0,85 (h0 – hl5)

= 163, 80 – 0,85 (763,80 – 692)= 702,77 kcal/kg

hf1 = 200,7p2 = 3 atmh2s = 626 kcal/kg (dari diagram mollier)h2 = h1 – 0,85 (h1 – h2s)

= 702,7 – 0,85 (702,7 – 626)= 637,5 kcal/kg

hf2 = 133,5 kcal/kgp3 = 0,1 atmh3s = 519 kcal/kg (dari diagram mollier)h3 = h2 – 0,85 (h2 – h3s)

= 637,4 – 0,85 (637,4 – 519)= 536,76 kcal/kg

hf3 = 45,4 kcal/kg

m1 =

=

= 0,13kg

m2 =

=

= 0,13 kg

w = ho – h3 – m1 (h1 – h3) – m2 (h2 – h3) = 763,80 – 536,76 – 0,12 (702,77 – 536,76) – 0,13 (637,50 – 536,76)

= 194, 02 kcal/kg q = h0 – hf1

= 763,8 – 200,7= 563,1

Efisiensi =

=

= 0,34= 34 %

4.7.5. pemanasan air pengisi, dua tingkat dengan tipe terbuka dan uap pemanas dipompakan masuk ke saluran air pengisi

Aliran cerat dari 1 kg uap yang mengalir melewati turbin dari titik 0 ke 1 (gambar 4.15) menghasilkan kerja. Pada titik 1, m1 kg uap penyemprot menuju ke regeneratif No.1untuk memanaskan air pengisi. Sisanya (1 – m) kg melanjutkan ekspansinya menuju titik 2 dimana m2 kg uap diekstrasikan dan dialirkan ke regeneratif No. 2. Massa uap yang mengalir dari 2 ke 3 dan menghasilkan kerja adalah sebesar (1 – m1 – m2) kg. Dan keluar pada titik 3 menuju kondensor, untuk selanjutnya terkondensasi. Kondensatnya dipompakan ke regeneratif No. 2 dan dipanaskan mencapai suhu cairan jenuh pada titik 2’ oleh m2 kg uap pemanas. Jumlah massa uap m2 kg sedemikian dimana semua massa uap tersebut akan terkondensasi menjadi cairan jenuh pada titik 2’ karena panas kondensasinya diberikan pada air kondensat pada keadaan tersebut. Kemudian (1 – m1) kg cairan dipompa ke regeneratif No. 1 dan tercampur dengan m1 kg uap yang yang meningkatkan suhu campuran tersebut mencapai keadaan cairan jenuh pada titik 1’. Jumlah aliran total cairan dari regeneratif No. 1 adalah 1 kg dan dipompakan ke ketel uap. Kerja siklus yang dihasilkan oleh turbin w :

w = ho – h1 + (1 – m1) (h1 – h2) + (1 – m1 – m2) (h2 – h3)= ho – h3 – m1 (h1 – h3) – m2) (h2 – h0)

q = h0 – h1

= h0 – hf1

n = w/qkerja pompa diperhitungkan :

n’ =

dimana w = h1’s – h1’ + (1 – m1) (h2’s – h3’) + (1 – m1 – m2) (h2’s – h3’)

tetapih1’ = hf1

h2’ = hf2

h3’ = hf3

w = h1’s – h1’ + (1 – m1) (h2’s – h3’) + (1 – m1 – m2) (h2’s – h3’)

4.7.6. pemanasan air pengisi dengan tipe tertutup tiga tingkat

arah dari aliran air panas berlawanan dengan arah perputaran jarum jam, dimana masuknya air pengisi sesuai dengan arah perputaran jarum jam. Pada siklus demikian (gambar 4.15) uap pemanas dimasukkan pada titik-titik 1, 2 dan 3. sedangkan air pengisi yang keluar dari setiap regeneratif pada suhu jenuh sesuai dengan tekanan uap ekstrasi yang masuk ke regeneratif. Pada alat-alat pemanas ini, sebagian luas permukaan pemanasan merupakan pendinginan aliran. Dapat diasumsikan juga bahwa aliran air pengisi didinginkan mencapai suhu jenuhnya dalam regeneratif selanjutnya, atau pada sisi tekanan rendahnya. Terdapat beberapa tempat pencerat uap panas pada sistem aliran tersebut dimana tidak diizinkan terjadinyapercampuran antara aliran air pengisi dengan uap pemanas. Dari regeneratif pertama, air pengisi mengalir melalui pipa aliran utama dan masuk ke ketel uap. Pompa air pengisi ketel (BFP) ditempatkan pada sistem sedemikian, sehingga tidak terjadi resiko penguapan air pengisi akibat aksi pemompaan. Alat-alat pemanas sebelum pompa tersebut dirancang untuk tekanan tinggi dengan demikian menjadi sangat mahal. Kesetimbangan kalor pada regeneratif pertama :

m1 = (h1 – h1’) = 1 (h1 – h2’)

m1 =

Kesetimbangan kalor pada regeneratif kedua :m2 (h2 – h2’) + m1 (h1” – h2”) = (h2’ – h3’)

m2 =

Kesetimbangan kalor pada regeneratif ketiga :m2 h3 + ( m1 + m2) (h2’ – h4’) = (m1 + m2 + m3) h4’ + h2’

m3 =

w = (h0 – h1) + (1 – m1) (h1 + h2) + (1 – m1 – m2) (h2 – h3) + (1 – m1 – m2 – m3 ) (h3 – h4)