TERMODINAMIKA TEKNIK II

Transkripsi

1 DIKTAT KULIAH TERMODINAMIKA TEKNIK II TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DARMA PERSADA 2005 i

2 DIKTAT KULIAH TERMODINAMIKA TEKNIK II Disusun : ASYARI DARAMI YUNUS Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Dara Persada Jakarta. ii

3 KATA PENGANTAR Untuk eenuhi buku pegangan dala perkuliahan, terutaa yang enggunakan bahasa Indonesia dala bidang teknik, aka kali ini penulis enyepatkan diri untuk ikut ebuat sebuah buku/diktat yang bisa digunakan oleh ahasiswa teknik, terutaa ahasiswa jurusan teknik esin. Kali ini penulis enyiapkan diktat yang ditujukan untuk ata kuliah Terodinaika Teknik II. Dala penyusunan buku ini penulis berusaha enyesuaikan aterinya dengan kurikulu di jurusan Teknik Mesin, Universitas Dara Persada Indonesia. Perlu ditekankan bahwa buku ini belu erupakan referensi lengkap dari pelajaran Terodinaika Teknik II, sehingga ahasiswa perlu untuk ebaca buku-buku referensi lain untuk elengkapi pengetahuannya tentang ateri buku ini. Akhir kata, udah-udahan buku ini bisa enjadi penuntun bagi ahasiswa dan eberikan anfaat sebagaiana yang diharapkan. Tak lupa penulis engucapkan banyak-banyak teria-kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak ebantu dala penyelesaian pebuatan buku ini. Jakarta, Deseber 2005 Ir. Asyari D. Yunus SE. MSc. iii

4 DAFTAR ISI BAB. Siste Tenaga Uap. BAB 2. Siste Tanaga Gas. 8 BAB 3. Siste Refrigerasi Dan Popa Kalor. 5 BAB 4. Capuran Gas Ideal Tak Bereaksi Dan Psikroetrik. 65 BAB 5. Capuran Bereaksi : Pebakaran. 85 iv

5 BAB I SISTEM TENAGA UAP berikut ini. Skea sederhana siste daya uap sederhana ditunjukkan oleh gabar Gabar. Koponen-koponen pebangkit daya uap sederhana. A. Siste turbin uap B. Suplai energi C. Sirkuit pendinginan air D. Generator listrik SIKLUS RANKINE Prinsip Kerja dan Perpindahan Kalor : Gabar 2 eperlihatkan prinsip kerja dan perpindahan kalor sub-siste A. Dala hal ini berlaku: - Perpindahan energi sesuai arah panah dan dianggap positif.

6 - Perpindahan kalor yang tidak dikehendaki ke lingkungan diabaikan. - Perubahan energi potensial dan kinetik diabaikan. - Setiap koponen beroperasi pada kondisi steady state. Gabar 2. Prinsip kerja dan perpindahan kalor dari sub-siste A. Pada turbin : Uap dari boiler pada kondisi yang epunyai teperatur dan tekanan tinggi engalai ekspansi didala turbin sehingga enghasilkan kerja dan keudian uap keluar dari turbin pada kondisi 2 dengan tekanan yang lebih rendah. Keseibangan energi : diana : V V2 0 Q cv W t h h2 g( z z2 2 W t h h 2 = laju aliran assa fluida kerja W T / = laju kerja yang dibangkitkan persatuan assa Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 2

7 h = entalpi pada titik h 2 = entalpi pada titik 2 V = kecepatan fluida pada titik V 2 = kecepatan fluida pada titik 2 z = ketinggian pada titik z 2 = ketinggian pada titik 2 g = gravitasi Pada Kondenser : Terjadi perpindahan kalor dari uap ke aliran air pendingin pada aliran yang terpisah. Sehingga uap engkondensasi dan air engalai kenaikan suhu. Cairan yang terkondensasi eninggalkan kondenser pada keadaan 3. Pada kondisi steady state keseibangan laju energi dan assa pada bagian kondensasi : Q out h 2 h 3 Diana : Q out laju energi yang dipindahkan oleh kalor dari fluida kerja ke air pendingin per satuan assa. Pada Popa : Cairan pada titik 3 dipopa ke boiler elalui popa antara titik 3 dan 4. Keseibangan assa dan energi : W p h 4 h 3 diana : W p = laju daya input per unit assa pada popa Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 3

8 Pada Boiler : Fluida kerja elengkapi siklus ketika fluida easuki boiler pada keadaan 4 dan keluar pada keadaan. Keseibangan assa dan energi : Q in h h 4 Diana : Q in = laju perpindahan energi dari suber energi ke fluida kerja persatuan assa yang asuk ke boiler. EFISIENSI TERMAL adalah julah energi yang diberikan ke fluida kerja pada boiler yang dirubah ke kerja output. W t / W Q / in p / ( h h ( h 2 ( h h 4 4 h 3 Kerja bersih output saa dengan kalor bersih input, aka: Q in ( h ( h / Q Q 2 in / h h out 3 4 / Q Q out in / / Cara lain untuk enerangkan unjuk kerja pebangkit adalah dengan paraeter back work ratio, bwr (rasio kerja balik yang didefinisikan sebagai rasio input kerja popa terhadap kerja yang dihasilkan oleh turbin. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 4

9 W bwr W p t / / ( h ( h 4 h 3 h 2 Siklus Ideal Rankine Gabar 3. Diagra Teperatur entropi untuk siklus Rankine ideal. Proses -2 : ekspansi isentropik fluida kerja pada turbin dari uap jenuh pada keadaan ke tekanan kondenser Proses 2-3 : perpindahan kalor dari fluida kerja ketika engalir pada tekanan konstan elalui kondenser dengan cairan jenuh pada keadaan 3. Proses 3-4 : kopresi isentropik didala popa ke keadaan 4 di daerah cairan terkopresi Proses 4- : perpindahan kalor ke fluida kerja ketika engalir pada tekanan konstan elalui boiler untuk enyelesaikan siklus. Siklus ideal Rankine juga eliputi keungkinan peanasan lanjut /superheat uap seperti yang digabarkan pada siklus Kerja popa bisa juga dicari dengan ruus : W p ṁ intrev 4 = 3 vdp notasi int rev enerangkan bahwa proses reversibel internal pada popa. Dengan engintegral persaaan diatas: Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 5

10 W p ṁ intrev =v 3 p 4 p 3 Pengaruh Tekanan Boiler Dan Kondenser Pada Siklus Rankine Dari gabar T-S diagra siklus Rankine ideal luas daerah -b-c-4-a- adalah enyatakan perpindahan kalor kedala fluida kerja per satuan assa pada boiler. Diruuskan : Q in int rev 4 Tds luas- b - c a - Integral diatas bisa ditulis dala bentuk suhu rata-rata pertabahan kalor, Tin, sebagai berikut : Q in int rev T in (s -s 4 diana tanda strip diatas enunjukkan harga rata-rata. Dengan cara yang saa, luas daerah 2-b-c-3-2 ewakili perpindahan kalor dari uap terkondensasi persatuan assa yang elalui kondenser, diruuskan: Q out int rev T out ( s s 3 2 T ( s out s4 luas 2 - b - c diana T out enunjukkan suhu pada sisi uap pada kondenser. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 6

11 Efisiensi Theral siklus Rankine ideal dala variabel perpindahan kalor adalah : ideal ( Q ( Q out in / / int rev int rev T T out in Dari ruus diatas dapat disipulkan bahwa efisiensi teral siklus ideal akan naik ketika suhu rata-rata, pada tepat diana energi ditabahkan karena perpindahan kalor, juga naik dan/atau suhu, diana energi dibuang, enurun. Persaaan efiseinsi diatas bisa digunakan untuk epelajari pengaruh dari perubahan unjuk kerja boiler dan kondenser. Gabar 4. Pengaruh variasi tekanan kerja pada siklus Rankine ideal. (a. Pengaruh tekanan boiler. (b. Pengaruh tekanan kondenser. Gabar A. eperlihatkan dua siklus ideal yang epunyai tekanan kondenser saa tetapi tekanan boiler berbeda. Suhu rata-rata dari kalor yang Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 7

12 ditabahkan terlihat lebih besar pada siklus daripada siklus Sehingga kenaikan tekanan boiler akan enaikkan efisiensi teral siklus Rankine. Gabar B. eperlihatkan dua siklus yang epunyai tekanan boiler saa tetapi tekanan kondenser yang berbeda. Satu kondenser beroperasi pada tekanan atosfir dan yang lainnya epunyai tekanan kurang dari tekanan atosfir. Suhu kalor yang dibuang pada siklus adalah 00 o C. Suhu kalor yang dilepas pada siklus adalah lebih rendah, karena itu epunyai efisiensi teral yang lebih besar. Jadi penurunan tekanan kondenser akan eningkatkan efisiensi teral. Tekanan kondenser yang paling rendah yang ungkin adalah tekanan jenuh/saturasi pada suhu abien/batas. Ini adalah suhu yang paling rendah yang paling ungkin dilepas ke lingkungan. Alasan utaa kenapa enggunakan kondenser pada pebangkit adalah untuk enjaga tekanan gas serendah ungkin pada turbin (pebangkit. Penabahan kondenser juga eungkinkan fluida kerja engalir dala loop tertutup. Prinsip-prinsip Ireversibilitas Dan Kerugian Ireversibilitas dan kerugian diteukan pada ke epat subsiste pebangkit daya uap. Ireversibilitas yang dialai pada fluida kerja disebabkan oleh ekspansi pada turbin. Sebagaiana digabarkan pada grafik berikut ini, proses -2 adalah ekspansi adiabatik pada turbin yang disertai dengan kenaikan entropi. Kerja yang dihasilkan pada langkah ini lebih kecil bila dibandingkan pada proses ekspansi isentropik -2s. Efisiensi turbin isentropik : T ( W ( W T T / / s h h h h 2 2s Input kerja pada popa untuk engatasi efek gesekan juga akan engurangi daya output pebangkit. Akan ada kenaikan entropi pada popa. Proses 3-4 Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 8

13 ewakili proses peopaan sebenarnya. Daya input ke popa akan enjadi lebih besar pada proses 3-4 dibandingkan proses isentropik 3-4s. Efisiensi popa isentropik : p ( W ( W p p / / s h 4s h 4 h h 3 3 Ireversibilitas pada popa epunyai dapak yang lebih kecil pada kerja pebangkit bila dibandingkan terhadap ireversibilitas pada turbin. Gabar 6. Diagra Teperatur entropi yang enunjukkan pengaruh ireversibilitas pada turbin dan popa. SUPERHEAT DAN REHEAT Superheat adalah proses diana uap air sebelu easuki turbin berada pada kondisi panas lanjut (superheat. Untuk endapatkan kondisi ini biasanya uap dipanaskan dengan alat yang bernaa superheater. Kobinasi boiler dengan superheater disebut stea generator. Efisiensi teral dengan uap superheat lebih tinggi dari yang tanpa superheat karena teperatur rata-rata kalor yang asuk lebih tinggi. Reheat erupakan odifikasi siste superheat diana uap tidak berkespansi pada turbin ke tekanan kondenser elainkan pertaa-taa uap Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 9

14 berekspansi pada turbin pertaa ke tekanan antara stea generator dan tekanan kondenser, keudian uap dipanaskan, setelah itu uap berekspansi pada turbin tingkat kedua sapai tekanan kondenser. Tujuan reheat adalah eningkatkan kwalitas uap pada sisi keluar turbin. Gabar 7. Siklus Reheat Ideal. Siklus reheat ideal superktritis diperlihatkan pada gabar berikut diana tidak ada perubahan fasa yang terjadi selaa peberian kalor dari 6 ke. Gabar 8. Siklus reheat ideal superkritis. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 0

15 SIKLUS DAYA UAP REGENERATIF Tujuan siklus ini adalah eningkatkan teperatur rata-rata air yang asuk kedala boiler. Peanas/heater Air Upan Terbuka Gabar 9. Siklus daya uap regeneratif dengan peanas air upan terbuka. Regenerasi dilakukan dengan enggunakan heater air upan, yaitu sebuah penukar kalor (heat exchanger jenis kontak diana aliran dari suhu yang berbeda bercapur sehingga enghasilkan aliran dengan teperatur enengah. Uap asuk ke turbin tingkat pertaa pada kondisi dan berekspansi ke kondisi 2 diana sejulah aliran diabil dan diasukkan ke heater air upan terbuka pada tekanan p 2. Sisa uap akan easuki turbin tingkat kedua enuju ke tingkat 3. Uap yang berupa cairan jenuh ini keudian dipopa dari kondisi 4 ke heater air upan pada kondisi 5. Dari heater keluar aliran yang sudah bercapur untuk keudian dipopa ke boiler. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta

16 Pada siklus ini energi diberikan pada dari kondisi 7 ke kondisi dan bukan dari kondisi a ke sehingga julah energi untuk eanaskan air bisa dikurangi. Laju assa : = diana : = laju assa easuki turbin tingkat pertaa 2 = laju assa yang diabil dan keluar pada kondisi 2 3 = laju assa yang easuki turbin tingkat kedua Dengan ebagi dengan aka : 2 3 fraksi aliran yang diabil/dibelokkan pada kondisi 2 adalah y ( y = 2 /, aka fraksi aliran total yang elalui turbin tingkat kedua : 3 y Dengan engasusikan bahwa tidak ada energi yang berpindah dari heater ke lingkungan dan engabaikan efek energi potensial dan energi kinetik aka kesetibangan energi enjadi : 0 yh h h 2 ( y 5 6 y h h 6 2 h 5 h 5 Kerja total turbin : W t ( h h2 ( y( h2 h3 Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 2

17 Kerja popa : W p ( h7 h6 ( y( h5 h4 Energi yang ditabahkan pada generator uap : Q in ( h h7 Energi yang dilepaskan ke air pendingin : Q out ( y( h3 h4 Peanas Air Upan Tertutup Peanasan air upan dengan heater jenis tertutup dilakukan dengan enggunakan penukar kalor jenis shell and tube diana suhu air upan naik ketika uap yang diabil dari turbin engalai kondensasi diluar tube yang ebawa air upan. Karena kedua aliran tidak bercapur aka tekanan asing-asing aliran bisa berbeda. Gabar 0 eperlihatkan dua cara bagaiana eindahkan kondensat dari heater air upan tertutup. Pada gabar 0.a. kondensat dipopa ke titik tekanan yang lebih tinggi pada siklus. Gabar 0.b. kondensat dibiarkan asuk ke stea trap (perangkap uap yang ada di heater pada tekanan lebih rendah atau didala kondenser. Gabar 0. Contoh peanas air upan tertutup. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 3

18 Gabar. adalah siklus daya uap regeneratif yang epunyai heater air upan tertutup dengan perangkap kondensat didala kondenser. Keseibangan energi : 0 y( h2 h7 ( h5 h6 aka y : Gabar. Siklus daya uap regeneratif dengan satu buah peanas air upan tertutup. y h h 6 2 h 5 h 7 Peanas Air Upan Jaak Efisiensi teral bisa ditingkatkan dengan eakai beberapa peanas air upan pada tekanan yang eungkinkan. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 4

19 Gabar 2. Contoh tata letak pebangkit daya. Gabar diatas eperlihatkan pebangkit daya dengan tiga peanas air upan tertutup dan satu peanas terbuka. Pebangkit daya dengan banyak peanas air upan biasanya epunyai inial satu buah peanas air upan terbuka yang beroperasi pada tekanan lebih besar dari tekanan atosfir sehingga oksigen dan gas-gas lain yang terlarut bisa dibuang dari siklus. Karakteristik Fluida Kerja, Siklus Uap Biner dan Kogenerasi Air paling banyak digunakan sebagai fluida kerja karena beberapa keuntungan:. Mudah diperoleh 2. Biaya rendah. 3. Tidak beracun. 4. Stabil secara kiia. 5. Relatif tidak korosif. 6. Perubahan enthalpi spesifik relatif besar Naun air juga epunyai beberap kekurangan diantaranya :. Suhu kritis air rendah (374,4 o C. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 5

20 2. Tekanan jenuh pada suhu noral kondenser dibawah tekanan atosfir, sehingga udara bisa asuk ke siste. Untuk siklus yang beroperasi pada teperatur yang relatif lebih rendah, fluida kerjanya akan lebih baik jika enggunakan refrigeran seperti aonia. Siste tenaga pada pesawat ruang angkasa enggunakan ercury sebagai fluida kerja karena ercury epunyai karakteristik yaitu teperatur kerja yang lebih tinggi. Air bisa digunakan bersaa saa bahan lain pada siklus uap biner untuk endapatkan unjuk kerja keseluruhan yang lebih baik. Siklus daya uap biner enggunakan dua fluida kerja, diana satu epunyai karakteristik yang baik pada suhu tinggi dan yang lainnya dengan karakteristik yang baik pada suhu yang lebih rendah. Contohnya siklus uap biner air-ercury. Gabar 3. Siklus uap biner Air raksa (ercury air. Siklus kogenerasi adalah proses pebangkitan daya diana peanasan uap dilakukan dari pebakaran bahan bakar, naun panas bahan bakar ini juga dianfaatkan untuk keperluan lain isalnya untuk Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 6

21 pebangkitan listrik. Cara ini bisa enaikkan efisiensi dala penggunaan suber daya energi. Gabar 4. Skea siste kogenerasi diana uap air dikeluuarkan dari turbin. Asyari D. Yunus - Terodinaika Teknik II Universitas Dara Persada Jakarta 7