1
PENGARUH SUHU DAN TEKANAN TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI THERMAL SIKLUS RANKINE PADA PEMBANGKIT DAYA TENAGA UAP Oleh BAYU AGUNG PERMANA JASIRON NENI SUSANTI
(0615021007) TEKNIK MESIN UNILA (0715021012) TEKNIK MESIN UNILA (0815021014) TEKNIK MESIN UNILA
ABSTRAK PENGARUH SUHU DAN TEKANAN TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI TERMAL SIKLUS RANKINE PADA PEMBANGKIT DAYA TENAGA UAP Oleh Bayu Agung Permana Jasiron Neni Handayani Pembangkit daya tenaga uap merupakan perangkat yang berfungsi sebagai penghasil tenaga dengan memanfaatkan energi potensial uap yang diubah menjadi energi kinetis sehingga dapat memberikan kerja mekanik memutar poros dan menghasilkan daya. Perangkat daya tenaga uap ini memiliki siklus yang bisa disebut siklus rankine. Artikel ini bertujuan unutk mengetahui pengaruh suhu dan tekanan dalam meningkatkan efisiens temali, kemudian menggambarkan bahwa efisiensi termal mampu memberikan pengaruh terhadap prestasi kerja pembangkit daya uap dalam menghasilkan daya listrik. Mengetahui metode atau cara dalam meningkatkan efisiensi termal. Cara untuk meningkatkan efisiensi termal melalui analisa siklus rankine yaitu, menurunkan tekanan kondensor, meningkatkan temperature uap panas lanjut (superheated)dan meningkatkan tekanan pada boiler. Metode diatas mampu memberikan hasil yang sesuai dengan data literatur yang ada, bahwa peningkatan efisiensi termal dipengaruhi oleh suhu dan tekanan, efisiensi termal mampu memberikan pengaruh pada kerja pembangkit daya teaga uap, semakin besar efisiens termal yang duhasilkan, maka semakin besar daya listrik yang dihasilkan. Kata kunci: tekanan, suhu, efisiensi termal, siklus rankine, pembangkit daya tenaga uap
2
PENDAHULUAN Latar Belakang Pembangkit daya tenaga uap merupakan perangkat yang berfungsi sebagai penghasil energi dengan memanfaatkan perangkat seperti pompa, boiler, turbin uap dan kondensor. Boles dan Chengel (2006)1 mengatakan bahwa pembangkit daya tenaga uap bertugas untuk menghasilkan daya listrik di dunia dan juga sedikit meningkatkan efisiensi terhadap penggunaan bahan bakar, meskipun semua usaha yang dibuat untuk meningkatkan efisiensi siklus pada pembangkit daya tenaga uap yang beroperasi. Ide yang melatar-belakangi semua modifikasi bentuk pembangkit daya untuk menambah efisiensi termal siklus daya, yaitu meningkatkan temperatur rata-rata fluida kerja pada boiler dan menurunkan temperature rata-rata yang telah dilepas dari boiler dan menuju kondensor. Siklus daya yang digunakan pada pembangkit daya adalah siklus renkin. Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine. Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.2
Tujuan
Adapun tujuan pada penulisan artikel yang berjudul “PENGARUH SUHU DAN TEKANAN TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI TERMAL SIKLUS RANKINE PADA PEMBANGKIT DAYA TENAGA UAP” adalah: 1. Mengetahui pengaruh suhu dan tekanan dalam proses penigkatan efisiensi termal siklus rankine 2. Memberikan gambaran terhadap pengaruh besar efisiensi termal terhadap prestasi kerja pembangkit daya uap. 1
Yunus A Chengel dan Michael A Boles. 2006. Thermodynamics an engineering approach fifth edition. MC Graw Hill. USA. 560 2 http://id.wikipedia.org/wiki/Siklus_Rankine di sunting 20 MRET, 08.57 AM
3
3. Menunjukan metode dalam meningkatkan efisiensi termal siklus renkin dalam upaya meningkatkan prestasi kerja pem,bangkit daya uap.
Hipotesa Adapun Hipotesa yang dibuat penulis dalam artikel yabg berjudul “PENGARUH SUHU DAN TEKANAN TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI TERMAL SIKLUS RANKINE PADA PEMBANGKIT DAYA TENAGA UAP” adalah: Suhu dan Tekanan sangat berpengaruh terhadap peningkatan efisiensi termal siklus renkin pada pembangkit daya tenaga uap.
PENDEKATAN TEORITIK Pembangkit Daya Tenaga Uap Menurut Basyirun (2008)3 pembangkit daya tenaga uap atau yang lazim disebut mesin tenaga uap Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar. Fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan didalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap. Didalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik didalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap. Uap panas yang kelur dari turbin yang sudah dipakai sebagain besar energinya dilewatkan melalui eqonomiser. Pada eqonomiser uap sisa diambil energi panasnya untuk memanaskan air yang akan masuk boiler.Skema sistem pembangkit daya uap sederhana4
Gambar 1. Skema sitem pembangkit daya uap
3
Basyirun, S. Pd, M.T., Dkk. 2008. Buku Ajar Mesin Konversi Energi. Universitas Negeri Semarang: PKUPT UNNES/ Pusat Penjamin Mutu 4
Daramy Yunus, Asyari. 2005. Diktat Termodinamika II. Jakarta: Universitas Darma Persada.
4
Siklus Rankine Menurut Basyirun, dkk. (2008)5 siklus rankine di gambarkan sebagai berikut.
Gambar 2. Siklus rankine Dengan bagan sederhana sebagai berikut
Gambar 3. Bagan sederhana siklus renkin Proses termodinamika dari siklus Rankine tersebut adalah sebagai berikut [gambar 2 dan 3]: 1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pomp 2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler 3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin 4-1 Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperature kemudian didalam boiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap yang sudah dipanaskan di boiler kemudian masuk turbin. Fulida kerja mengalami ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. 5
Basyirun, S. Pd, M.T., Dkk. 2008. Buku Ajar Mesin Konversi Energi. Universitas Negeri Semarang: PKUPT UNNES/ Pusat Penjamin Mutu
5
Selama proses ekspansi pada turbin terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menhasilkan putaran poros turbin. Uap yang keluar dari turbin kemudian dikondensasi pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun. Kemudian siklus berulang lagi.
Gambar 4. Diagram silus ideal rankine
Gambar 5. Proses irreversible pada pompa dan turbin Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap [gambar 4 dan 5] Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler, kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan jatuh yang besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal. Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses ekspansi uap air pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.
6
Efisiensi Termal Efisiensi termal6 adalah konsep dasar dari efisiensi siklus ideal yang didefinisikan perbandingan antara energi yang berguna dengan energi yang masuk. Energi berguna adalah pengurangan antara energi masuk dengan energi terbuang. Jadi efisiensi termal dirumuskan dengan persamaan : η = Energi Berguna / Energi masuk
Cara Meningkatkan Efisiensi Termal Siklus Rankine Menurut Boles dan chengel (2006)7 ada 3 cara dalam meningkatkan efisiensi termal siklus rankine, yaitu: a. Menurunkan tekanan kondensor b. Meningkatkan tekanan pada boiler c. Meningkatkan suhu pada saat fluida kerja berada dalam keadaan superheated
PEMBAHASAN Penurunan tekanan pada kondensor memberikan pengaruh terhadap kualitas fluida kerja yang semula berbentuk uap jenuh (saturated vapor) dengan kualitas 100% menjadi uap jenuh campuran dengan keadaan cair jennuh campuran (saturated liquid mixture) dan hal ini memberikan pengaruh terhadap kuantitas air yang akan dipompakan kembali menuju boiler.
Gambar 6. Diagram proses kondensor
penurunan tekanan
Chengel dan boles melakukan studi kasus pada metode yang telah ada untuk menaikan efisiensi melalui pengaruh suhu dan tekanan, data yang mereka sajikan adalah fuida kerja masuk ke turbin dengan tekanan 3 MPa dan 350°C dengan tekana kondensor 10 kPa dengan efisiensi termal 0,334 atau 33,4% mereka menggunakan dua metode untuk meningkatkan efisiensi. 6
Basyirun, S. Pd, M.T., Dkk. 2008. Buku Ajar Mesin Konversi Energi. Universitas Negeri Semarang: PKUPT UNNES/ Pusat Penjamin Mutu 7
Yunus A Chengel dan Michael A Boles. 2006. Thermodynamics an engineering approach fifth edition. MC Graw Hill. USA. 560
7
Pertama, menaikan temperature turbin (superheated) dari 350°C menjadi 600°C maka data yang tersaji akan membentuk memperluas area siklus dan efisiensi yang ada beruba menjadi 37%. Kedua, menaikan tekanan pada boiler hingga mencapai 15 MPa dengan temperature superheated 600°C. Kemudian efisiensi na akan ertamah menjadi 45 %.
Gambar 7. Diagram proses peningkatan efisiensi termal Dari gambar 7. dapat kita analisa bahwa peningkatan temperature dan tekanan akan menambah luas pada kurva yang terbentuk, hal ini akan berpengaruh tehadap peningkatan efisiensi termal yang didapat, dan peningkatan efisiensi termal yang didapat akan memberikan pengaruh baik terhadap kerja tubin yang akan menghasilkan daya yang besar. Oleh krena itu, merujuk kembali pada hipotesa yang penulis buat, Suhu dan Tekanan sangat berpengaruh terhadap peningkatan efisiensi thermal siklus renkin pada pembangkit daya tenaga uap. Dan hasilnya suhu dan tekanan mampu merubah efisiensi dengan memodifikasi metode yang sesuai dengan ketentuan yang telah ada. Artinya hipotesa yang penulis buat erbanding lurus dengan data yang ada.
KESIMPULAN Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari artikel yang berjudul “PENGARUH SUHU DAN TEKANAN TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI THERMAL SIKLUS RANKINE PADA PEMBANGKIT DAYA TENAGA UAP” adalah: 1. Suhu dan tekanan sangat berpengaruh terhadap peningkatan efisiensi termal siklus renkin 2. Efisiensi termal sangat mempengaruhi kerja pembangkit daya uap dalam menghasilkan daya keluaran yang dapat dimanfaatkan sebagai tenaga listrik.
8
Semakin besar efisiensi, maka semakin besar kerja poros trubin dan semakin besar pula daya listrik yang dhasilkan 3. Metode meningkatkan efisiensi yaitu, meningkatkan tekanan pada boiler, meningkatkan temperatur superheated, meurunkan tekanan kondensasi.
DAFTAR PUTAKA A Chengel, Yunus dan Michael A Boles. 2006. Thermodynamics an engineering approach fifth edition. MC Graw Hill. USA. 560 Basyirun, S. Pd, M.T., Dkk. 2008. Buku Ajar Mesin Konversi Energi. Universitas Negeri Semarang: PKUPT UNNES/ Pusat Penjamin Mutu Daramy Yunus, Asyari. 2005. Diktat Termodinamika II. Jakarta: Universitas Darma Persada. http://id.wikipedia.org/wiki/Siklus_Rankine di sunting 20 MRET, 08.57 AM
