PEIODE MARET 2014

Mata kuliah : THERMODINAMIKA AIR DAN UAP

Sifat Ujian : BUKA BUKU ( Kerja sendiri )

1. Jelaskan bagaimana proses di sistem PLTU sampai memproduksi uap

2. Apakah yang dimaksud dengan panas laten dan panas sensibel

3. Jelaskan tentang Siklus renkine sederhana

4. Apakah yang dimaksud dengan entalpi, entropi dan energi dalam

5. Jelaskan secara singkat proses produksi uap di boiler

6. Tentukan property dari v pada tingkat keadaan :

a. P = 11,5 bar dan T=270oC

b. Tsat = T=125oC dan x = 0.85

7.

Suatu siklus Rankine ideal bekerja pada

tingkat keadaan :

Titik 1 80oC , 25 bar

Titik 4 35oC 0.08 bar

m = 3 kg/s

Tentukan :

a. Tingkat keadaan di titik 2 dan 3 (tekanan dan temperature)

b. Hitung Kinerja masing-masing komponen, efisiensi dan BWR

1. Proses di sistem PLTU sampai memproduksi uap

PLTU merupakan pembangkit listrik yang menggunakan siklus tertutup atau

siklus Rankine, artinya siklus daya dengan fluida kerja uap dimana proses

terjadinya di sekitar kubah uap dan uap air bergantian diuapkan dan

dikondensasikan secara berulang-ulang. Fluida kerjanya adalah air dan uap.

Untuk prosesnya sampai memproduksi uap, yaitu pertama air dipompakan

menggunakan BFP (Boiler Feed Pump) menuju ke boiler. Di dalam boiler, terjadi

proses pembakaran. Air dipanaskan oleh gas panas hasil proses pembakaran

bahan bakar dengan udara. Uap dari hasil pembakaran tersebut masih berupa

uap jenuh, kemudian dipanaskan lagi di superheater sehingga menjadi uap

panas lanjut yang kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin yang seporos

dengan generator sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran. Uap

bekas dari turbin dialirkan ke kondensor untuk didinginkan dengan menggunakan

air pendingin yang berasal dari air laut yang di pompakan menggunakan CWP.

Pada kondensor terjadi proses kondensasi, sehingga berubah fasa menjadi air.

Air dari proses kondensasi tersebut kemudian dialirkan menuju deaerator yang

nantinya digunakan kembali dalam proses pembakaran di boiler. Sebelum masuk

ke deaerator, air dipanaskan terlebih dahulu melalui LPH 1 dan LPH 2, dimana

uap yang digunakan berasal dari uap ekstraksi turbin. Setelah itu menuju ke

deaerator, lalu dialirkan menuju HPH 4 dan HPH5 kemudian dipompa masuk ke

dalam boiler.

2. Panas Laten dan Panas Sensibel

Panas Laten adalah besarnya energy yang dilepas atau diserap oleh materi

selama proses perubahan fasa.

Panas Sensibel adalah besarnya energy yang dilepas atau diserap oleh materi

selama prose perubahan temperature.

3. Siklus Rankine sederhana :

Siklus Rankine merupakan siklus tertutup dan dapat digambarkan dengan

diagram T – s (Temperature – entropi). Urutan proses dari siklus Rankine, di

bawah ini :

a – b : Air dipompa menjadi air bertekanan, dari tekanan P2 menjadi P1.

Langkah ini disebut kompresi isentropis dan proses ini terjadi pada

pompa air pengisi.

b – c : Air bertekanan ini dinaikkan temperaturnya hingga mencapai titik didih.

Terjadi di LP heater, HP heater dan Economiser. .

c – d : Air berubah wujud menjadi uap jenuh. Langkah ini disebut vapourising

(penguapan) dengan proses isobar isothermis, terjadi di boiler yaitu

di wall tube (riser) dan steam drum.

d – e : Uap dipanaskan lebih lanjut hingga uap mencapai temperatur kerjanya

menjadi uap panas lanjut (superheated vapour). Langkah ini terjadi

di superheater boiler dengan proses isobar.

e – f : Uap melakukan kerja sehingga tekanan dan temperaturnya turun.

Langkah ini adalah langkah ekspansi isentropis, dan terjadi di dalam

turbin.

f – a : Pembuangan panas laten uap sehingga berubah menjadi air kondensat.

Langkah ini adalah isobar isothermis, dan terjadi di dalam kondensor.

4. Entalpi, Entropi, dan Energi dalam

- Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energy

internal dari suatu sistem termodinamika ditambah energi yang digunakan

untuk melakukan kerja.

- Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi

dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk

melakukan usaha

- Energi dalam adalah suatu bentuk tersendiri dari energi yang berhubungan

dengan system.

5. Proses produksi uap di boiler, yaitu

Air dipompakan ke dalam boiler dengan menggunakan pompa air pengisi (BFP).

Sebelum masuk ke dalam steam drum, air dipanaskan dahulu di Low Pressure

Heater, High Pressure Heater, dan terakhir di economizer. Economizer adalah

alat yang merupakan pemanas air (heat exchanger) sebelum masuk ke steam

drum. Di dalam economizer, air menyerap panas gas buang yang keluar dari

superheater sebelum dibuang ke atmosfir. Setelah keluar dari economizer,

temperature air dijaga pada nilai mendekati titik didihnya. Jika temperature air di

economizer melampaui titik didih air, maka akan menyebabkan terbentuknya uap

di dalam pipa economizer dan mengakibatkan terjadinya overheating pada pipa

tersebut. Kemudian air masuk ke dalam steam drum. Steam drum berfungsi

untuk menampung dan mengontrol kebutuhan air di boiler dan memisahkan uap

dan air. Untuk mengontrol kebutuhan air boiler, maka level air di drum harus

dijaga konstan pada level normalnya. Air yang ada di steam drum turun melalui

down comer menuju furnace lower header kemudian disirkulasikan ke seluruh

sisi water wall sehingga menghasilkan uap jenuh. Uap yang dihasilkan kemudian

disalurkan kembali menuju ke steam drum. Uap yang dihasilkan akan

dipanaskan lebih lanjut oleh low temperature superheater, platen superheater,

dan high temperature superheater. Uap kering akan dikumpulkan dalam final

steam header yang selanjutnya disalurkan melalui pipa main steam, main steam

valve (MSV), control valve, kemudian diekspansikan pada turbin dan

menghasilkan energi mekanik.

6. Menentukan property dari v

a. P = 11,5 bar

T = 270 oC

Lihat table A-4E

P = 10,0 bar

T (oC) v (m3/kg)

240 0,2275

270 V

280 0,2480

280−240

270−240=

0,2480−0,2275

𝑣−0,2275

40

30=

0,0205

𝑣 − 0,2275

𝑣 = 0,0205

40 𝑥 30 + 0,2275

𝑣 = 0,015375 + 0,2275

𝑣 = 0,242875 𝑚3

𝑘𝑔

P = 15 bar

T (oC) v (m3/kg)

240 0,1483

270 V

280 0,1627

280−240

270−240=

0,1627−0,1483

𝑣− 0,1483

40

30=

0,0144

𝑣 − 0,1483

𝑣 = 0,0144

40 𝑥 30 + 0,1483

𝑣 = 0,1591 𝑚3

𝑘𝑔

T = 270 oC

P (bar) v (m3/kg)

10 0,242875

11,5 v

15 0,1591

15 − 10

11,5 − 10=

0,1591 − 0,24875

𝑣 − 0,24875

𝑣 = 0,1591 − 0,24875

15 − 10× 11,5 − 10 + 0,24875

𝑣 = −0,083775

5× 1,5 + 0,24875

𝑣 = −0,251325 + 0,24875

𝒗 = 𝟎,𝟐𝟏𝟕𝟕𝟒𝟐𝟓 𝒎𝟑/𝒌𝒈 Jadi pada P = 11,5 bar dan T = 270°C, nilai v = 0,2177425 m3/kg

b. Tsat = T = 125 oC x = 0,85

Lihat table A-2

T (oC) vf (m3/kg)

120 1,0603 x 10-3

125 vf

130 1,0697 x 10-3

130 − 120

125 − 120=

1,0697 𝑥 10−3 − 1,0603 𝑥 10−3

𝑣𝑓 − 1,0603 𝑥 10−3

10

5=

9,4 𝑥 10−3

𝑣𝑓 − 1,0603 𝑥 10−3

2 =9,4 𝑥 10−6

𝑣𝑓 − 1,0603 𝑥 10−3

𝑣𝑓 =9,4 𝑥 10−6

2+ 1,0603 𝑥 10−3

𝑣𝑓 = 1,065 𝑥 10−3 𝑚3

𝑘𝑔

T (°C) vg (m

3/kg)

120 0,8919

125 vg

130 0,6685

130 − 120

125 − 120=

0,6685 − 0,8919

𝑣𝑔 − 0,8919

𝑣𝑔 = 0,6685 − 0,8919

130 − 120× 125 − 120 + 0,8919

𝑣𝑔 = −0,2234

10× 5 + 0,8919

𝑣𝑔 = −0,1117 + 0,8919

𝑣𝑔 = 0,7802 𝑚3/𝑘𝑔

𝑣𝑥 = 𝑣𝑓 + 𝑥 𝑣𝑔 − 𝑣𝑓

𝑣𝑥 = 1,065 × 10−3 + 0,85 0,7802 − 1,065 × 10−3

𝑣𝑥 = 1,065 × 10−3 + 0,85 0,779135

𝑣𝑥 = 1,065 × 10−3 + 0,66226475

𝒗𝒙 = 𝟎,𝟔𝟔𝟑𝟑𝟐𝟗𝟕𝟓 𝒎𝟑/𝒌𝒈

Jadi nilai 𝒗𝒙 = 𝟎,𝟔𝟔𝟑𝟑𝟐𝟗𝟕𝟓 𝒎𝟑/𝒌𝒈

P=25

bar

P=0,08 bar

1

2

3 4

T

s

224

80

35

hf

hf

hg

7. Suatu siklus Rankine ideal bekerja pada tingkat keadaan :

Titik 1 80°C, 25 bar

Titik 4 35°C, 0,08 bar

ṁ = 3 kg/s

a) TK 2 : T2 = 224°C

P2 = 25 bar

h2 = hg = 2803,1 kJ/kg

s2 = sg = 6,2575 kJ/kg.K

TK 3 : P3 = P4 = 0,08 bar

T3 = T4 = 35°C

s3 = s2 = sfg = 6,2575 kJ/kg.K

pada P = 0,08 bar dari tabel A-3 diperoleh: sf = 0,5926 kJ/kg.K

sg = 8,2283 kJ/kg.K

𝑥 =𝑠𝑓𝑔 − 𝑠𝑓

𝑠𝑔−𝑠𝑓× 100%

𝑥 =6,2575 − 0,5926

8,2283 − 0,5926× 100%

𝑥 =5,6649

7,6357× 100%

𝑥 = 74,19%

pada P = 0,08 bar dari tabel A-3 diperoleh: hf = 173,88 kJ/kg

hfg = 2403,1 kJ/kg

𝑕3 = 𝑕𝑓 + 𝑥.𝑕𝑓𝑔

𝑕3 = 173,88 + 0,7419 × 2403,1

𝑕3 = 173,88 + 1782,86

𝑕3 = 1956,74 𝑘𝐽/𝑘𝑔

TK 4 : P4 = 0,08 bar

T4 = 35°C

h4 = hf = 173,88kJ/kg

TK 1 : T1 = 80°C

P1 = 25 bar

𝑊𝑃 = 0,1𝑚 𝑃1 − 𝑃4 = 𝑚 𝑕1 − 𝑕4

𝑕1 = 0,1 𝑃1 − 𝑃4 + 𝑕4

𝑕1 = 0,1 25 − 0,08 + 173,88

𝑕1 = 2,492 + 173,88

𝑕1 = 176,372 𝑘𝐽/𝑘𝑔

b) Kinerja

𝑊𝑃 = 𝑚 𝑕1 − 𝑕4

= 3 176,372 − 173,88

= 𝟕,𝟒𝟕𝟔𝒌𝑱

𝒔= 𝟕,𝟒𝟕𝟔 𝒌𝑾

𝑊𝑇 = 𝑚 𝑕2 − 𝑕3

= 3 2803,1 − 1956,74

= 𝟐𝟓𝟑𝟗,𝟎𝟖𝒌𝑱

𝒔= 𝟐𝟓𝟑𝟗,𝟎𝟖 𝒌𝑾

𝑄𝐵 = 𝑚 𝑕2 − 𝑕1

= 3 2803,1 − 176,372

= 𝟕𝟖𝟖𝟎,𝟏𝟖𝟒𝒌𝑱

𝒔= 𝟕𝟖𝟖𝟎,𝟏𝟖𝟒 𝒌𝑾

𝑄𝐶 = 𝑚 𝑕3 − 𝑕4

= 3 1956,74 − 173,88

= 𝟓𝟑𝟒𝟖,𝟓𝟖𝒌𝑱

𝒔= 𝟓𝟑𝟒𝟖,𝟓𝟖 𝒌𝑾

Efisiensi

𝜂 =𝑊𝑇 −𝑊𝑃

𝑄𝐵

=2539,08 − 7,476

7880,184

=2531,604

7880,184

= 0,3213

𝜼 = 𝟑𝟐,𝟏𝟑%

BWR

𝐵𝑊𝑅 =𝑚 𝑕1 − 𝑕4

𝑚 𝑕2 − 𝑕3

= 176,372 − 173,88

2803,1 − 1956,74

=2,492

846,36

= 0,002944

𝑩𝑾𝑹 = 𝟎,𝟐𝟗𝟒𝟒%