TUGAS MAKALAH TURBIN UAP & GAS

Oleh :NAMA : AGUNG NUGROHO NIM : 111.03.1051

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRINDYOGYAKARTA2014

I. PENDAHULUANTurbin merupakan sebuah alat yang salah satunya digunakan untuk membangkitkan suatu energi.Di Indonesia telah tersebar berbagai macam turbin, mulai dari turbin gas, turbin air dan turbin uap.Turbin sangat membantu dalam kehidupan sehari-hari kita, salah satunya untuk memenuhi kebutuhan kita yang tidak lepas dari alat tersebut, yaitu listrik.Dengan turbin kita dapat melakukan kegiatan malam tanpa harus dalam kondisi gelap. Kegiatan malam akan berjalan lancar dengan adanya listrik yang tidak lepas dari turbin tersebut.Semakin banyaknya turbin dan pesatnya perkembangan turbin tersebut, kini turbin tak asing lagi. Segala macam cara dilakukan untuk memodifikasi kembali turbin tersebut hanya untuk meningkatkan kenyamanan bagi pemakai, baik individu maupun kelompok. Terlebih lagi dengan adanya perkembangan teknologi saat ini, proses pemodifikasian turbin tersebut menjadi lebih mudah dilakukan.Dengan adanya berbagi macam turbin tersebut yang telah tersebar hingga dipelosok Indonesia, maka kami berupaya untuk menulis sebuah makalah yang menyangkut permasalahan tersebut yaitu Turbin Uap danTurbin Gas.

I. TINJAUAN TEORI a. Turbin UapSiklus Renkine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine ideal asli yang sederhana.siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air (H2O).Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap.Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. BOILERkonderserQ inQ out

23

WpWT

1 4

Gambar.a.1 Siklus rankineSiklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Renkine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik s1 = s2 masuk ke boiler dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi super panas h3 =h4 dan keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram T-s berikut:

3 T Cp

2 4 1

sGambar.a.2 Diagram Temperatur (T) Entropi (S)

Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung. Jadi untuk proses Siklus 1 2 2 3 3 4 1 Dengan rumus:W = T dSW = Kerja per satuan berat fluida kerja Ds = Luas 1 2 - 2 2 3 4 - 1 pada diagaram ( T s )Dalam kenyataan Siklus sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini :1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya .2. Kerugian tekanan dalam ketel uap3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin.

1. Prinsip Kerja Turbin UapSecara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :

Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel.Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat. Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.

2. Klasifikasi turbin uapTurbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut peoses penurunan tekanan uap sebagai berikut:2.1 Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya1. Turbin ImpulseTurbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar. Turbin satu tahap. Turbin impuls gabungan. Turbin impuls gabungan kecepatan.Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:-Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel. Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.2. Turbin Reaksi Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya lengkungnya berlawanan.Ciri-ciri turbin ini adalah : Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu Gerak Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

2.2 Klasifikasi turbin uap berdasarkan pada tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin Turbin Tunggal ( Single Stage )Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll. Turbin Bertingkat (Aksi dan Reaksi ).Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat terdapat deretan sudu 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan. 2.3 Klasifikasi turbin berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap Turbin Kondensasi.Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor. Turbin Tekanan Lawan.Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari 1 atm sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain. Turbin Ekstraksi.Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain, misalnya proses industri.

b. Teori Turbin GasGas-turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal.Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya.Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.1. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet).Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat.Kemudian udara bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin.Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).

Gambar b.1 turbin gas pesawat terbangTurbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 18, cara kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan temperatur dan tekanan yang cukup tinggi(2000C, 6bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan temperatur tinggi (6bar, 7500C) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah berekspansi diturbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.

Gambar b.2 Turbin gas untuk industri (pembangkit listrik)

Persamaan turbin gasdengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah dipakai untuk gaya dorong.

2. Proses PembakaranPadagambarb.3, dapatdilihatdarikotruksikomponenruangbakar,apabila digambarkanulangdenganprosespembakaranadalahsebagaiberikut :

Gambar b.3 Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas

Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar.Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder,temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut: Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle). Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadi kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain: Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja. Adanya mechanical loss, dsb.

3. Klasifikasi Turbin GasTurbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari: Turbin gas siklus tertutup (Close cycle) Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja.Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal.Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu : Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft)Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri. Turbin Gas Poros Ganda (Double Shaft)Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses.II. APLIKASI DARI TURBIN UAP DAN TURBIN GASa. Aplikasi Turbin UapAplikasi dari Turbin Uap banyak digunakan di industri seperti pabrik atau pembangkit listrik. Turbin uap merubah energi potensial menjadi energi kinetik yang menggerakkan baling-baling turbindan terakhir menjadi energi mekanik yang menjalankan mesin turbin. Energi mekanik dalam turbin berupa putaran poros turbin. Poros turbin yang berada diujung baling baling berbentuk roda gigi yang dihubungkan dengan komponen turbin yang merupakan mekanisme yang ingin digerakkan. Proses energi kinetik menjadi energi mekanik dapat dilakukan dengan berbagai cara tergantung dari penggunaan turbin tersebut.Tipe-tipe turbin uap juga bermacam-macam tergantung dari industri yang menggunakannya. Misalnya pada PLTU digunakan jenis turbin tipe multistage.Pengapliaksian turbin uap yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga uap digunakan sebagai konversi energi panas menjadi energi listrik.Energi panas diperoleh dari uap panas yang dikeluarkan oleh ketel uap ditujukan ungtuk menggerakkan baling-baling turbin, untuk dikonversikan sebagai energi kinetik. Energi kinetik yang menggerakkan baling-baling turbin sekaligus menggerakkan poros baling-baling yang berbetuk roda gigi. Pergerakkan roda gigi tersebut membentuk energi mekanik.Energi mekanik kemudian dikonversikan oleh generator menjadi energi listrik. b. Aplikasi Turbin GasPada gambar 16.5 adalah salah satu mesin turbin gas pesawatterbang, adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starterdinyalakan, kompresor berputar dan mulai bekerja menghisap udarasekitar, udara kemudian dimampatkan. Udara pada tahap pertamadimampatkan dahulu pada kompresor tekanan rendah, diteruskankompresor tekanan tinggi. Udara mampat selanjutnya masuk ruangbakar, bercampur dengan bahan bakar yang sudah disemprotkan.Campuran bahan bakar-udara mampat kemudian dinyalakan dan terjadiproses pembakaran. Gas hasil proses pembakaran berekspansi padaturbin, terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi putaran porosturbin, sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong. Setelahmemberikan sisa gaya dorongnya, gas hasil pembakaran ke luar melaluisaluaran buang. Dari proses kerja turbin gas pesawat terbang tersebut,dihasilkan daya turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor,menghasikan daya dorong, dan menggerakan peralatan bantu lainnya.

Turbin gas yang dipakai industri dapat dilihat pada gambar 15.6 dancara kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starterdinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dandimampatkan. Kemudian udara mampat dengan temperatur dan tekananyang cukup tinggi (2000C, 6 bar) mengalir masuk ruang bakar bercampurdengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudiandinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakarannaik drastis. Gas pembakaran dengan temperatur tinggi (6 bar, 7500C)berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi, dari energipanas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelahberekspansi di turbin, lalu ke luar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbingas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenagapenggerak kompresor dan generator listrik.

Dari uraian cara kerja turbin gas di atas, dapat disebutkankomponen-komponen mesin turbin gas yang penting, yaitu kompresor,ruang bakar, dan turbin. Jadi, daya yang dihasilkan turbin tidak hanyamenggerakan beban, yaitu generator listrik, tetapi juga harusmenggerakan kompresor.

Referensi Arismunandar, Penggerak Mula Turbin, ITB Bandung, 1988

Shlyakin P. Steam Turbines, Theory and Design, Foreign Language Houses, Moscow

Stodola A., Steam and Gas Turbines, Vol 1, Mc. Graw Hill Book Company Inc. New York

Myer Kutz, Mechanical Engineer's Handbook : Energy and Power Vol 4 Third Edition. John Wiley & Sons. Inc. 2006

Yuriadi K. Thermodinamika Terapan, Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana. Jakarta

http://www.agussuwasono.com/artikel/mechanical/566-prinsip-dasar-turbin-uap.html