BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sistem Tenaga Uap Pada mesin uap dan turbin uap, air sebagai benda kerja mengalami deretan peubahan keadaan. Untuk merubah air menjadi uap digunakan suatu alat dinamakan boiler menerima panas dari sumber panas atau dapur, panas tersebut digunakan untuk memanaskan air dalam boiler agar diperoleh uap. Kadang kadang uap yang keluar dari boiler dipanaskan lagi dengan superheater agar diperoleh uap dengan temperatur yang lebih tinggi. Panas untuk superheater diambil dari dapur dan superheater dihubungkan langsung dengan boiler. Uap yang keluar dari superheater kemudian mengalir ke mesin uap atau turbin uap dan tenaga uap dirubah menjadi kerja poros mesin atau turbin. Pada waktu yang bersamaan, uap mengalami penurunan temperatur dan tekanan sebagaian uap mengalami condensasi. Kemudian campuran uap dan cairan jenuh mengalir ke condenser dan pada condenser semua uap dan cairan jenuh diembunkan menjadi cairan. Panas dari condenser (panas pengembunan) dibuang ke sink (sungai, kolam atau laut) yang dapat berupa aliran air pendingin dari sungai, kolam atau laut. Cairan yang keluar dari condenser kemudian dipompakan kembali ke boiler. Diagram aliran uap dan cairan terlihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 skema diagram aliran uap dan cairan pada mesin/ turbin uap (sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian) 2.2 Rankine cycle Pertama-tama ditinjau dengan uap tidak superheater (uap tidak dipanaskan kembali) Gambar 2.2a. skema diagram aliran uap pada rankine cycle (sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian)
Gambar 2.2b. diagram p-v rankine cycle (sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian) Gambar 2.2c. diagram T-S rankine cycle (sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian) Gambar 2.2d. diagram n-s rankine cycle (sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian)
Diagram p-v, diagram T-S dan diagram h-s untuk rankine cycle terlihat pada gambar 2.2. Cairan jenuh (titik a) masuk ke Parabolic solar concentrator dan diubah menjadi uap jenuh pada temperatur T 2 dan tekanan P 2 secara reversible (titik b). uap kemudian berexpansi secara reversible adiabatic dalam turbin tekanan p 1 dan temperatur T 1 (titik c). Campuran uap dan cairan yang keluar dari turbin diembunkan di condenser (titik d), kemudian cairan dari condenser dikompressi secara reversible adiabatic ke tekanan boiler p 2 secara reversible adiabatic ke tekanan Parabolic solar concentrator p 2 (titik e). cairan yang dikompresi (dipompa) ini tidak dapat mencapai titik a (temperatur T 2 ), maka untuk itu panas disupply untuk menaikkan temperatur cairan tersebut agar dicapai titik a. oleh sebab itu effisiency Rankine cycle lebih kecil dari Carnot cycle. Dari diagram h-s, panas Q 2 disupply sepanjang lintasan eab dan panas Q 1 dibuang sepanjang lintasan cd. Jadi, dan Q 2 = hb h e Q 1 = hc h d Kerja output, W out = h h b c 2.1 Kerja pompa, Wi n = h h e d.2.2 Effisiency thermis, η W th = out Q 2 W in ( h h ) ( h h ) b c e d =. 2.3 h b h e
( h h ) ( h h ) b e c d =... 2.4 2 h Q Q Q b h e 2 1 =.. 2.5 Pada tekanan rendah, kerja pompa menjadi kecil dan dapat diabaikan dibandingkan dengan besaran lain, maka effisiency thermis menjadi η th = h h b b h c h e... 2.6 2.3 Turbin Turbin adalah mesin penggerak dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi pada mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi. Bagian turbin yang berputar dinamai rotor atau roda turbin, sedangakan bagian yang tidak berputar dinamai stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak didalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebanya (generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling atau mesin lainnya). Didalam turbin fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu. Fluida kerjanya dapat berupa air, uap air, atau gas. Contoh sebuah turbin dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Sebuah Turbin Air (KAPLAN) Ada beberapa kesamaan teori dari turbin air dan pompa air, dengan perbedaan utama energi transfer yang berbalikan. Turbin air mengubah energi potensial dari air menjadi energi mekanis putaran poros. Sedangkan pompa air mengubah energi mekanis putaran poros menjadi gerak aliran air. Turbin konvensional, dalam kelompok mesin penggerak mula atau prime movers ada tiga macam. Turbin air dengan media kerja air, turbin gas dengan media kerja gas panas yang bertekanan, dan turbin uap dengan media kerja uap. Ketiga macam turbin tersebut mempunyai kemiripan dalam konstruksi, namun berbeda dalam termodinamikanya, karena fluida kerjanya tidak sama. Turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan unjuk kerja optimum dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi operasi tertentu. Formula yang digunakan kebanyakan diperoleh secara empiris, berdasarkan pengalaman, eksperimen atau analisis dimensi. Dasar kerja turbin air yang sangat sederhana ini sudah diketemukan sebelum dimulai tahun. masehi. Teknologi turbin air merupakan pengembangan dari kincir air (water weel). Perbedaan utama dari kincir air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan aliran, sedangkan turbin mengubah arah dan kecepatan aliran.
Pada saat sekarang, penggunaan turbin air lebih banyak dibandingkan kincir air. Hal ini disebabkan karena turbin air mempunyai keuntungan-keuntungan antara lain: ruangan yang diperlukan lebih kecil atau lebih kompak dapat beroperasi dengan kecepatan lebih tinggi mampu membangkitkan daya yang lebih besar dari ukuran yang relatif kecil daerah putaran (rpm) yang lebih luas, sehingga memungkinkan hubungan langsung dengan generator mampu memanfatkan beda ketinggian permukaan air dari yang sangat rendah sampai yang eksterim tinggi dapat bekerja terendam air mempunyai efisiensi yang relatif lebih baik dapat dikonstruksikan dengan poros mendatar maupun tegak. Penggunaan kincir air sampai sekarang masih tetap ada, karena mempunyai kelebihan juga dibandingkan dengan turbin air, yaitu konstruksinya yang sederhana dan murah. Untuk kegunaan penggilingan, pengairan serta plant kecil sejenis lainya, dimana penggunaan turbin dinilai terlalu mahal, kincir air masih digunakan. Contoh kincir air besar yang pernah dibuat, memanfaatkan beda ketinggian permukaan air 15 meter, yang menghasilkan daya 20 kw pada putaran 4 rpm, dan mempunyai efisien 80%. Penggunaan turbin air kebanyakan untuk pembangkit tenaga sebagai pengerak generator seperti PLTA (pembangkit listrik tenaga air). Karena mempunyai karakateristik yang cukup memenuhi persyaratan sebagai pembangkit tenaga modern. Persyaratan yang dimaksud antara lain (1) efisiensi yang baik dan tidak banyak berubah untuk beban yang bervariasi (2) putaran yang cukup tinggi, sehingga dapat langsung dikopel dengan generator (3) dapat dikonstruksikan dengan poros horizontal atau vertikal (4) dapat memanfaatkan beda
ketinggian permukaan air yang bervariasi, dan kapasitas aliran dari yang sangat kecil sampai dengan yang sangat besar. Pada PlTA, tinggi rendahnya putaran berpengaruh terhadap ukuran turbin maupun generatornya, dan secara tidak langsung berpengaruh juga terhadap harga dan biaya instalasi.gambar 2.4 dapat digunakan sebagai gambaran perbedaan ukuran generator listrik yang berbeda putarannya pada daya yang hampir sama. (a) (b) Gambar 2.4 Perkiraan Perbandingan Ukuran Gambar Generator Listrik Dengan Putaran Yang Berbeda 2.4 Prinsip Kerja Turbin Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja mengalir melaui ruang diantara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka tentu ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudu. Jadi, sudu haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut. Hal ini akan
dijelaskan dengan mempergunakan gambar 2.5. Pada gambar 2.6 diperlihatkan irisan melintang sudu pada suatu jarak tertentu dari sumbu roda turbin. Kemudian dibeberkan diatas bidang datar, seperti terlihat pada gambar dibawah ini. Gambar 2.5 Sebuah Roda Turbin (sumber: buku Penggerak Muka Turbin) Gambar 2.6 Pandangan Muka Dan Irisan Memanjang Sebuah Roda Turbin (sumber: buku Penggerak Muka Turbin) 2.5 Sudu-Sudu Turbin Seperti telah diterangkan sebelumnya, melingkari permukaan roda turbin dipasang sudu-sudu. Oleh karena itu sudu tersebut bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu tersebut dinamai sudu gerak. Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat beberapa baris sudu gerak yang dipasang berurutan dalam arah aliran fluida kerja. Setiap baris sudu terdiri dari sudu yang disusun melingkari roda turbin, masing-masing dengan bentuk dan ukuran yang sama. Turbin dengan
satu baris sudu gerak saja, dinamai turbin bertingkat tunggal. Sedangkan turbin dengan beberapa baris sudu gerak dinamai turbin bertingkat ganda. Dalam hal tersebut terakhir fluida kerja mengalir melalui baris sudu yang pertama, kemudian baris kedua, ketiga, dan seterusnya. Tetapi belum mengalir ke setiap baris sudu berikutnya, fluida melalui baris sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Oleh karena sudu tersebut terakhir tidak bergerak berputar, sudu tersebut dinamai sudu tetap. Sudu tetap berfungsi mengarahkan aliran fluida kerja masuk ke dalam sudu gerak berikutnya. Tetapi juga dapat berfungsi sebagai nosel Uap dialirkan melalui nozzle sehingga diperoleh uap dengan kecepatan tinggi menumbuk sudu-sudu turbin. Vektor kecepatan uap dan sudu dapat dilihat seperti digambar. Aliran uap / gas pada turbin adalah aliran merata (steady flow): Gambar 2.7 turbin uap/gas (sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian) Bila, a. Nozzle dan sudu-sudu b. Vektor kecepatan uap dan sudu c. Bagian aliran uap pada turbin
(sumber: buku Thermodinamika Teori Dan Soal Penyelesaian) V 3 = kecepatan absolut uap menumbuk sudu. V r = kecepatan relatip uap terhadap sudu. V b = kecepatan sudu (blade) V 4 = kecepatan uap meninggalkan sudu Bila rugi gesekan uap diabaikan dan proses dianggap adiabatic, maka h 3 = h 4 dan Q = 0. Perbedaan elevasi uap keluar nozzle dan meninggalkan sudu dapat diabaikan. Maka dengan persamaan (4-49), kerja yang dihasilkan sudu, 2 3 2 V V4 Wsudu = 2.8 2g0. J Jika rugi-rugi gesekan uap tidak dapat diabaikan maka h 3 h 4, jadi: 2 2 V3 V4 Wsudu = h3 h4 + 2.9 2g0. J Selanjutnya, bila: V 1 = kecepatan uap masuk turbin (gambar 2.7 ) V 2 = kecepatan uap meninggalkan (keluar) turbin h 1 = entalpy uap masuk ke turbin h 1 = entalpy uap keluar dari turbin
pada turbin, perbedaan elevasi uap masuk dan keluar juga dapat diabaikan (Z 2 Z 1 = 0) serta perbedaan tenaga kinetik uap diabaikan : 2 V 3 V4 2g0. J 2 = 0 Maka dengan persamaan (4-49), kerja yang dihasilkan turbin (persamaan energy untuk turbin), Wturbin = ( h1 h2 ) + q 2.10 q = rugi-rugi panas per satuan massa uap pada turbin (akibat radiasi dan konduksi terhadap sekelilingnya). rugi-rugi panas q harganya kecil dan kadang-kadang diabaikan. Jadi kerja yang dihasilkan turbin hanyalah merupakan perubahan entalpy uap/gas. Catatan: kadang-kadang dianggap g 0 = g sehingga persamaan-persamaan energi untuk aliran, tidak bercorak g 0 tapi hanya bercorak g saja. 2.6 Jenis-Jenis Turbin Dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya, turbin dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu turbin implus dan turbin reaksi. Walaupun dari segi kepentingan praktis tidak begitu besar artinya, namun dari kepentingan akademik, beberapa jenis turbin air seperti disebutkan diatas perlu juga dikenal. 2.6.1 Turbin Banki Dengan memperhatikan kostruksinya, turbin Banki dapat dikategorikan sebagai peralihan dari kincir air menjadi turbin air jenis impuls. Turbin Banki (Donat Banki) dengan roda aliran radial bertekanan atsmosfer, menghasilkan daya energi kinetik pancaran air. Putaran karakteristik dari turbin jenis pelton dan turbin Francis aliran campuran. Ada beberapa karakteristik yang tidak biasa ditemui pada kebanyak roda kincir yang diperagakan oleh turbin Banki, yang menarik untuk dikaji.
Seperti turbin atau kincir air pada umumnya, turbin Banki terdiri dua bagian yaitu nosel dan runner. Nosel dengan bentuk penampang segi empat, memancarkan air dan memenuhi roda turbin dengan menyebut 16 0 terhadap arah tangensial dari tepi roda. Sedangkan runner terdiri sederetan sudu lengkung yang disusun pada tepi roda. Jenis aliran melalui roda turbin adalah searah masuk (inward). Gambar 2.8 dan 2.9 menunjukkan contoh rancangan turbin Banki. Gambar 2.8 Turbin Banki Rancangan Jerman Gambar 2.9 Rancangan Alternatif Dari Turbin Banki Kebutuhan daya atau sistem pengaturan turbin terhadap perubahan beban, dapat dilakukan dengan memperbesar atau memperkecil lebar dari pancaran air atau dengan mengubah tebal dari pancaran air, seperti gambar 2.8 dan gambar 2.9. Turbin Banki paten Jerman, seperti ditunjukkan gambar diatas, menggunakan tuas untuk mengatur posisi saluran
masuk turbin (gate A), yang digerakkan oleh governor turbin. Dilokasi C, air masuk ke sudu turbin pada sudut tertentu, untuk mendapatkan efisiensi terbaik, yang tidak tergantung dari aliran air. Walaupun dengan paten yang berbeda, cara pertama (gambar 2.8) dan cara kedua (gambar 2.9) menghasilkan efek yang sama. Turbin Banki banyak digunakan di Eropa, terutama sebelum Perang Dunia II, dan di Amerika yang sebagian besar dibangun di Oregon. 2.6.2 Turbin Fourneyron Turbin Fourneyron termasuk turbin reaksi dengan aliran ke luar (outward flow), seperti gambar 2.10. turbin jenis ini dilengkapi dengan gate yang dapat diatur, yang dapat diangkat dan diturunkan dengan mekanisme governor. Roda turbin dibagi menjadi beberapa kompartmen (umumnya empat) dengan diagfragma horizontal, sehingga sewaktu turbin beroperasi dengan beban parsial, hanya efisien dari kompartmen tersebut yang berpengaruh. Turbin Fourneyron biasa digunakan untuk beda ketinggian permukaan air 1 sampai 100 meter, dengan efisien sebesar 75%. Efisien dapat ditingkatkan dengan menambah difuser berbentuk bulat pada sekeliling cincin sudu geraknya, dan berfungsi mirip dengan draft tube. 2.6.3 Turbin Girard Gambar 2.10. Turbin Reaksi Dengan Aliran Ke Luar
Turbin Girard termasuk jenis impuls, dengan arah aliran air sejajar sumbu roda. Sudu pengarah membuat air menumbuk melalui dua kuadran yang berlawan secara diameter (gambar 2.11) Turbin Girard cocok digunakan untuk pembangkit yang besar, dengan beda ketinggian air yang rendah. Namun masih baik digunakan sampai beda ketinggian permukaan air 500 meter dengan efisien berkisar 75%. Untuk head yang rendah, roda turbin dijaga tetap horizontal, dan untuk head yang besar, roda turbin dijaga tetap vertikal. Gambar 2.11 Turbin Girard Turbin Girard ada dua tipe, yaitu dengan aliran aksial dan aliran radial. Pada jenis aliran aksial, roda turbin dipasang vertikal, sedangkan jenis aliran radial dapat diletakkan vertikal maupun horizontal. Sebenarnya konstruksinya mirip turbin Jonval. Dan mempunyai perbdaan pada penutupan sudu pengarahnya. 2.6.4 Turbin Turgo Turbin Turgo termasuk jenis impuls, dengan aliran air sejajar sumbu poros roda. Turbin jenis ini mempunyai dua nosel seperti turbin pelton. Pada turbin pelton pancaran air menumbuk bucket di tengah, sedangkan pada turbin turgo pancaran air menumbuk pada salah satu ujung bucket dan keluar pada ujung yang lain. Aliran air diatur seperti halnya pada turbin pelton. Untuk jumlah pancaran air dan diameter pancaran air sama besar, diameter
dari turbin turgo jauh lebih kecil dari turbin pelton. Namun mempunyai kecepatan keliling (peripheral velocity) yang lebih besar dari turbin pelton (gambar 2.12 ). Gambar 2.12 Turbin Turgo Turbin turgo biasa digunakan untuk pembangkit daya kecil sampai medium, dengan beda ketinggian air sampai 280 meter dan putaran 2000 rpm. 2.6.5. Turbin Jonval Turbin Jonval termasuk jenis reaksi dengan aliran ke arah dalam (inward flow), seperti gambar 2.13 dan 2.14. pengaturan putaran dilakukan dengan memangkas supply air ke salah satu atau lebih saluran pengarah, dengan gate berbentuk bulat. Perlengkapan yang menarik dari turbi Jonval adalah pembagian roda turbin menjadi sejumlah kompartmen kosentris sedemikian rupa sehingga tiap kompartmen membentuk sebuah turbin yang lengkap pada dirinya. Konstruksi seperti ini membantu penutupan satu atau lebih kompartmen secara sempurna. Turbin Jonval dapat digunakan untuk beda ketinggian air 1 sampai 50 meter, dengan putaran antara 20 sampai 40 rpm.
Gambar 2.13 Turbin Reaksi Dengan Aliran Kedalam Gambar 2.14 Turbin Jonval 2.6.6 Turbin Thomson Turbin Thomson termasuk jenis reaksi dengan aliran ke arah dalam. Roda turbin dikelilingi oleh ruangan vorteks yang besar. Air masuk ke bagian yang terbesar dari ruangan dan di arahkan ke sudu gerak. Diameter luar dari roda, umumnya dua kali diameter dalamnya. Aliran air diatur oleh penyaluran ke seluruh keliling dari roda. Keuntungan dari metoda pengaturan seperti ini adalah efisiensinya tidak banyak dipengaruhi, sehingga efisien pada beban parsial praktis sama dengan efisien dengan efisiensinya pada beban penuh. 2.6.7 Turbin Deriaz Sebenarnya jenis-jenis turbin sebelum berkembang menjadi tiga jenis yang luas digunakan saat ini, ada banyak, namun sebagian besar mempunyai kemiripan, dan hanya beberapa komponen mempunyai ciri perbedaan yang tidak terlalu esesensial. Salah satu contohnya turbin Deriaz, yang lebih dikelompokkan menjadi turbin air dengan aliran diagonal, dan sudu-sudu yang dapat diatur secara otomatik.
2.6.8 Turbin Heber Turbin Heber sangat sesuai digunakan untuk beda ketiggian air yang sangat rendah (gambar 2.15), kurang dari 10 meter. Pondasi rumah turbin dapat dibangun searah aliran sungai atau pada arah transversal. Gambar 2.15 Turbin Heber 2.6.9 Turbin Schwan Krug Bersama turbin Girard, turbin Schwan Krug termasuk turbin yang pertama digunakan menggantikan kincir air. Turbin Schwan Krug termasuk jenis impuls dengan arah aliran radial keluar seperti gambar 2.16. beda ketinggian permukaan air yang dapat digunakan dapat mencapai 100 meter atau lebih. Dengan daya keluaran sampai 750 kw, dengan efisien mencapai 80%. Turbin Schwan Krug (dan juga turbin Girard) mempunyai banyak kekurangan. Antara lain pengaturan kecepatannya sukar, dan juga seperti jenis impuls aliran radial umumnya, tegangan sentrifugal yang dibangkitkan besar karena aliran air ke arah luar. Dengan kemunculan turbin pelton, turbin Schwan Krug (dan juga turbin Girard) tidak banyak lagi dipakai Gambar 2.16 Turbin Schwan Krug
2.6.10 Turbin Pipa / Tubular Modifikasi dari turbin Kaplan, yang dikembangkan sesudah munculnya turbin standar, yaitu turbin pipa atau turbin tubular (ada juga yang menyebutnya turbin bulb), merupakan salah satu jenis turbin air yang berhasil. Turbin diletakkan langsung pada saluran air (gambar 2.17). turbin jenis ini tidak memerlukan rumah turbin berbentuk spiral beserta sudu pengarahnya, serta mengurangi kerugian akibat aliran melalui belokan-belokan. Turbin diletakkan di bendungan. Sejauh ini turbin jenis ini dibuat untuk pembangkit daya kecil, dan untuk head yang rendah. Gambar 2.17 Turbin Pipa/Tubular