4. THERMODYNAMICS AND POWER PLANT CYCLE ANALYSIS
Open Rankine Cycle
Basic Cycle
Rankine cycle bergantung pada ekspansi
isentropic dari gas bertekanan tinggi untuk
menghasilkan kerja
Gas dalam bentuk steam
Pompa control volume yang meningkatkan P
cairan secara adiabatic. Kerja pompa (steady
state):
𝑊
𝑝 = 𝑚 ℎ2 − ℎ1
Jika proses isentropic
ℎ2 − ℎ1 = 𝑣 𝑃2 − 𝑃1
karena 𝑠2 − 𝑠1 = 𝑐 𝑙𝑛
𝑇2
𝑇1
isentropi, tidak ada
perubahan T.
Karena Pompa tidak bekerja isentropic
perhitungan efisiensi melalui perbandingan
dengan kondisi ideal:
𝑝 =
ℎ2𝑠 − ℎ1
ℎ2 − ℎ1
𝑊
𝑝 = kerja pompa
𝑚 = laju alir massa
𝑣 = volume spesifik untuk air, cukup konstan
4
5. Open Rankine Cycle
Setelah air mendapatkan P tinggi energi
ditambahkan sebagai kalor dalam boiler (steam
generator) control volume pada P konstan
(steady-state):
𝑄𝑏 = 𝑚 ℎ3 − ℎ2
Boiler bekerja dengan fasa cair dan uap
output berupa saturated steam
Saturated steam diekspansi di turbin
menghasilkan energi mekanik (Wt):
𝑊𝑡 = 𝑚 ℎ3 − ℎ4
Secara ideal, turbin bekerja secara isentropic.
Karena input berupa saturated steam, maka
ekspansi isentropic untuk menurunkan tekanan
akan menghasilkan campuran uap-cair, dengan
kualitas:
𝑥 =
𝑠 − 𝑠𝑓
𝑠𝑔 − 𝑠𝑓
dengan entalpi: ℎ = 1 − 𝑥 . ℎ𝑓 +𝑥. ℎ𝑔
Karena turbin tidak berekspansi isentropic
perhitungan efisiensi melalui perbandingan dengan
kondisi ideal:
𝑡 =
ℎ3 − ℎ4
ℎ3 − ℎ4𝑠
Nilai efisiensi turbin nyata: 60-90%
5
7. Closed Loop Rankine Cycle
Pada sistem dasar input air pada 70oF
(21oC) dan keluar turbin pada 212oF (100oC)
Output turbin berupa campuran uap-cair
perlakuan lanjutan adalah
mengkondensasikan seluruhnya menjadi
fasa cair
Selanjutnya dipompakan kembali untuk
meningkatkan P dapat digunakan
kembali (reuse) konfigurasi menjadi
closed loop cycle.
Kondenser control volume yang
melepas panas pada P konstan, dari
campuran uap-cair menjadi subcooled
liquid (steady state):
𝑄𝑟𝑒𝑗 = 𝑚 ℎ𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 − ℎ𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡
7
9. Efek Kenaikan Tekanan Boiler
Jika tekanan dinaikkan dari 200 psia ke 600 psia:
Kenaikan tekanan akan meningkatkan kerja di bagian
atas siklus, tapi vapor dome menyempit terjadi
penurunan kerja di bagian kanan siklus.
Efek positif terjadi penurunan panas terbuang/heat
rejected (area di bawah kurva, dari 4x ke 1, menjadi
dari 4 ke 1)
Wp = kerja pompa = 50,32-48,09=2,22 Btu/lbm
Qb =heat input=1204,06-50,32=1153,75 Btu/lbm
Wt = kerja turbin = 1204,06-847.09=356,97 Btu/lbm
Qrej = rejected energy = 847,09-48,09=798,93
Btu/lbm
=
𝑄𝑏 − 𝑄𝑟𝑒𝑗
𝑄𝑏
=
𝑊𝑡 − 𝑊
𝑝
𝑄𝑏
= 0,3075 = 30,75%
9
10. Superheat
Temperatur thermal reservoir (the combustion gases) yang
semakin tinggi dapat meningkatkan T steam.
Jika saturated steam pada P=600 psia (486.3°F)
dipanaskan hingga 1000°F (pada P=600 psia), maka dapat
meningkatkan efisiensi dibanding proses sebelumnya.
Heat rejection juga meningkat, tapi tidak proporsional
lebih banyak yang dikonversi menjadi kerja.
Superheater control volume yang beroperasi pada P
konstan, hanya pada steam.
Sumber panas superheater sama dengan boiler energi
input gabungan (Qb).
10
12. Reheat
Steam diekspansi di turbin. Sebelum terjadi ekspansi penuh, steam diekstraksi dan dipanaskan kembali
(reheat) untuk menambahkan entalpi, lalu dialirkan ke LP turbin untuk diekspansi hingga P kondenser.
12
14. Regenerative:
Open feedwater heater
14
• Open feedwater heater adalah alat kontak antara steam
ekstraksi dan feedwater dingin sehingga tercampur secara
langsung.
• Tekanan kedua fluida harus sama.
16. Regenerative:
Closed feedwater heater
16
Closed feedwater heater adalah surface heat exchanger, dengan
aliran feedwater dalam tube, dan steam ekstraksi di luar tube.
Tekanan operasi kedua fluida bisa berbeda.
TTD (Terminal Temperature Difference) umumnya sekitar 5° F,
tapi maksimal bisa sampai 10° F.
DCA (Drain Cooler Approach) umumnya sekitar 10° F, tapi
maksimal bisa sampai 20° F.
Karena kedua aliran pada tekanan berbeda maka aliran
steam harus memenuhi 2 prinsip:
1. Biarkan berekspansi secara isentapi, dan dikirimkan ke feed water
heater dengan tekanan lebih rencah
2. Tingkatkan tekanan dengan memasang pompa kecil dan
campurkan dengan aliran feedwater
17. Tugas
Tiap mahasiswa mencari sebuah siklus PLTU (boleh dalam, boleh luar negeri)
PLTU dimana? Unit berapa?
Teknologinya bagaimana?
Kondisi operasi (T, P)
Hitung energi yang terlibat di tiap komponen
Hitung efisiensi siklus
Apa yang mempengaruhi nilai efisiensi siklus ini? Adakah peluang peningkatan
kinerja, atau peluang penghematan energi?
Deadline 28 Januari 2021
17