Siklus kombinasi merupakan kombinasi antara siklus Brayton dan Rankine untuk meningkatkan efisiensi. Analisis thermodinamika dilakukan dengan persamaan keseimbangan massa dan energi untuk menentukan kerja masing-masing siklus. Perhitungan dilakukan secara manual dan menggunakan add-ins excel serta EES software. Hasilnya menunjukkan persentase error rata-rata kurang dari 1%.

1. STUDI KASUS: ANALISA THERMODINAMIKA SIKLUS KOMBINASI MENGGUNAKAN
ADD-INS EXCEL DAN ENGINEERING EQUATION SOLVER (EES) SOFTWARE
1
Ali Hasimi Pane1
Mahasiswa Magister Teknik Mesin USU-Medan, ALP Consultant Owner
HP: 0813 7093 4621, Email: ali.h.pane@gmail.com
Abstrak
Dalam studi thermodinamika, khususnya yang membahas tentang siklus pembangkit tenaga, baik itu tenaga uap
maupun tenaga gas. Dimana dalam penyelesian umumnya adalah dianalisa berdasarkan tekanan dan temperatur
operasi dengan menggunakan data-data dari tabel literatur thermodinamika untuk mengetahui sifat-sifat fluida
kerjanya. Dalam tulisan ini, akan dibahas metode penyelesaian untuk siklus pembangkit tenaga kombinasi yaitu
kombinasi siklus Brayton dan Rankine. Disini akan diperlihatan kefektifan tingkat hasil akhir perhitungan melalui 3
metode. Pertama, metode perhitungan dengan cara manual yang menggunakan data-data tabel literatur. Metode yang
kedua dan ketiga adalah dengan melibatkan penggunaan perangkat lunak komputer yaitu add-ins excel dan EES
software, yang dalam proses penyelesaiaannya menggunakan kode-kode software itu sendiri dan akan memberikan
hasil secara otomatis. Akhirnya, dari hasil perhitungan yang akan diperoleh dari ke-3 metode tersebut adalah memiliki
tingkat persentase error rata-ratanya sebesar 0,30632% atau dibawah 1%.
Keyword: Siklus kombinasi, thermodinamika, add-ins excel, EES sofware
I.
thermodinamika. Akan tetapi hasil akhir yang akan
Pendahuluan
diperoleh nantinya akan tetap diperbandingkan terhadap
Siklus kombinasi, dalam sistem pembangkit tenaga,
hasil perhitungan manual. (yaitu menggunakan data dari
adalah gabungan antara dua sistem pembangkit tenaga,
tabel thermodinamika/literatur).
seperti pembangkit tenaga uap dan pembangkit tenaga
gas (siklus Rankine dan Brayton). Penggabungan dari
II.
dua siklus ini adalah bertujuan untuk meningkatkan
efisiensi
thermal
siklus
dapat
Dalam proses analisa siklus kombinasi (gambar 1),
mengefisiensi
dengan tujuan untuk menentukan daya guna siklus
penggunaan bahan bakar, karena gas buang dari siklus
ditinjau dari analisi energi thermal, dan digunakan
Brayton yang pada dasarnya masih bertemperatur tinggi
persamaan-persamaan analisa thermodinamika. Siklus
dimanfaatkan
kombinasi (seperti gambar 1), yang bagian atasnya
kembali
dan
Studi Literatur
untuk
membantu
proses
pembakaran dalam siklus Rankine.
merupakan siklus Brayton dan bagian bawahnya adalah
siklus Rankine. Kombinasi kedua siklus ini secara luas
Dalam proses analisa siklus kombinasi, tidak
terlepas
dari
peran
analisa
digunakan sebagai pembangkit tenaga.
thermodinamika,
keseimbangan massa dan energi melalui sifat-sifat fluida
2.1. Analisa Thermodinamika Siklus Brayton
kerjanya yang dapat diperoleh berdasarkan tekanan dan
temperatur operasi siklus dan menggunakan tabel-tabel
thermodinamika.
Dalam
penulisan
ini
Siklus Brayton ideal, yang terdiri dari
akan
empat
komponen yaitu kompresor, turbin gas, dan dua alat
diperkenalkan penggunaan perangkat lunak komputer
penukar
untuk menyelesaikan analisa perhitungan terhadap siklus
pembuangan energi panas dari siklus.
kombinasi tersebut yaitu add-ins excel dan EES software.
kalor
untuk
proses
pemabakaran
dan
Dengan mengidealisasi kerja kompresor dan turbin
Disini akan mempermudahkan kita dengan mengabaikan
gas adalah
pembacaan
pengaruh dari energi kinetik dan potensial yang terjadi
sifat-sifat
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
fluida
melalui
tabel
proses adiabatik,
diasumsikan
bahwa
ali.h.pane@gmail.com
1

2. 
 WP

 m
 
pada saat proses kerja berlangsung dapat diabaikan, maka


kerja kompresor ( WC ) dan turbin gas ( WT ) per satuan
 7
   v dp

 6
…7
atau
laju aliran massa udara, seperti gambar 1.

WC
 h2  h1

m

WT
 h3  h4

m

 WP

 m
 
…1
…2

  v 6 ( p7  p6 )


…9
dan

Dimana m adalah laju aliran massa udara dan h adalah
enthalpi udara (dari tabel udara). Karena daya yang di
gunakan sebagai kerja oleh kompresor dan daya yang
dihasilkan turbin tidak termanfaatkan 100% disebabkan
sifat ketakmampu balikannya (irreversibility), maka kerja
kompressor dan turbin aktual dapat ditentukan:

WC

m



W /m

 C

C
 aktual
…3
Gambar 1. Siklus kombinasi (siklus Brayton dan
Rankine)
dan

WT

m


W

 T T


m
 aktual
…4

Kemudian untuk proses energi panas masuk ( Qin ) ke

siklus dan pembuangan energi panas ( Qout ) dari siklus
yang berlangsung pada tekanan konstan, maka energi
panas masuk dan energi keluar per satuan laju aliran
massa udara, seperti gambar 1:

Qin
 h3  h2

m
…5

Qout
 h4  h5

m
…6
dan
Gambar 2. Diagram T-s siklus kombinasi
Dimana v adalah volume spesifik diperoleh dari tabel uap
2.2. Analisa Thermodinamika Siklus Rankine Ideal
air, kemudian dari persamaan keseimbangan massa dan
energi, maka kerja pompa dan turbin dapat ditentukan:

Dengan mengidealisasi kerja pompa ( W P ), air

WP
 h7  h6

m
…10
dan
sehingga kerja pompa dengan mengasumsikan bahwa
fluida kerja tanpa irreversible dapat ditentukan:
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
…9

WT
 h8  h9

m
adalah sebagai fluida kerjanya yang tak mampu mampat,
ali.h.pane@gmail.com
2

3. Dimana h adalah enthalpi diperoleh dari tabel uap air,
III. Data dan Metodologi
karena sifat tak mampu balik sistem, kerja aktual pompa
3.1. Data siklus kombinasi
dan turbin uap dapat ditentukan:

WP

m
Daya netto siklus kombinasi



W /m

 P

P
 aktual
= 500 MW
…11
Siklus Brayton
dan
Rasio tekanan siklus Brayton

WT

m



 aktual

W
 T T

m
Udara masuk kompressor
…12
= 18
= 30 oC, 1 atm
Temperatur gas pembakaran
= 1250 oC
masuk turbin
Sementara untuk energi panas yang diterima oleh
Temperatur gas buang keluar HRSG = 200 oC
pembangkit uap berdasarkan gambar 1:
Efisiensi isentropis kompresor
= 0,90
Efisiensi isentropis turbin
= 0,80

Qin QHRSG



m
m
…13
Untuk kondensor pada kondisi steadi, dari persamaan
Siklus Rankine
keseimbangan massa dan energi dapat ditentukan besar
Uap air masuk turbin
= 450 oC, 10 Mpa
Tekanan kondensor
= 20 kPa
Efisiensi isentropis pompa
= 0,95
Efisiensi isentropis turbin
= 0,80
laju energi panas yang dibuang:

Qout
 h9  h6

m
…14
3.2. Metodologi
2.3. Analisa thermodinamika siklus kombinasi
Metode penyelesaian adalah dilakukan dengan
Pada siklus kombinasi terdapat sebuah sistem
persamaan-persamaan keseimbangan massa dan energi
HRSG (heat recovery steam generation),yang berfungsi
thermodinamika. Setelah itu, dihitung secara manual, dan
sebagai alat penukar kalor, dimana energi panas gas
hasil perhitungan akan dibandingkan dengan hasil yang
buangan
kembali untuk
menggunakan add-in excel dan menggunakan perangkat
membangkitkan uang dalam siklus Rankine. Dalam
lunak komputer komersial yaitu engineering equation
kondisi operasi steadi, HRSG, dimana perpindahan panas
solver (EES) software.
turbin
gas dimanfaatkan
kelingkungan dan perubahan energi potensial dan kinetik
IV. Hasil dan Pembahasan
dapat diabaikan, maka dari persamaan keseimbangan
massa dan energi:
Dari


mudara (h4  h5 )  muap (h8  h7 )  0
…15
menggunakan
metode,
perhitungan,
yaitu:
metode
dengan
pertama
sifat thermodinamika diambil dari tabel literatur. Metode
ditentukan:

mudara
3
analisa
dilakukan perhitungan secara manual dimana data sifat-
atau perbandingan laju aliran massa uap dan udara dapat

muap
hasil
kedua adalah dengan add-ins excel dan ketiga adalah
(h  h5 )
 4
(h8  h7 )
dengan EES software
…16
(langkah
peyelesaian
pada
lampiran). Perbandingan hasil akhir perhitungan dari
ketiga metode tersebut, seperti tabel 4.1.
Sementara daya guna dari siklus kombinasi dapat
ditentukan:
Th, siklus 



Wnet , siklus Wnet , Brayton  Wnet , Rankine



Q
Q
in , net
in , net
...17
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
3

4. Tabel 4.1. Perbandingan hasil perhitungan
V.
Kesimpulan
Biography
Analisa hasil perhitungan dari ketiga metode tersebut,
dimana memiliki tingkat kemudahan dan kesulitan
Ali Hasimi Pane,
masing-masing. Diperoleh hasil akhir bahwa, baik dari
Mahasiswa
hasil perhitungan manual maupun hasil perhitungan
Fakultas Teknik, Jurusan teknik
dengan metode add-ins excel dan EES software, pada
mesin
tingkat perbandingan persentase error-nya adalah sebesar
konsentrasi
0,30632% atau dibawah 1%.
energi.
magister
USU–Medan,
studi
(S2)
dengan
konversi
Sarjana Teknik (S1) selesai pada tahun 2004 dari Institut
Teknologi Medan (ITM), konsentrasi studi konversi
VI. Referensi
energi.
[1].
Yunus
A.
Cengel,
Michael
A.
Boles,
Thermodynamics: An Engineering Approach, Fifth
Edition, McGraw-Hill Companies, Inc.
[2]. Michael. Moran, Howard N . Shapiro, Daisie D.
Boettner,
Margaret
B.
Bailey,
Fundamentals
of
Engineering Thermodynamics, Seventh Edition, John
Wiley & Sons, Inc, 2011.
[3]. EES manual handbook by F-Chart software
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
4

5. Lampiran: Metode penyelesaian Siklus Kombinasi
A. Hasil perhitungan manual menggunakan tabel thermodinamika literatur.
Parameter
Hasil
Keterangan
500000
kW
Kerja aktual kompressor
431.7064224
kJ/kg
Kerja aktual turbin gas
Energi panas masuk pada ruang bakar
725.1779544
928.9575776
kJ/kg
kJ/kg
Kerja aktual pompa
10.68385263
kJ/kg
Kerja aktual turbin uap
Energi panas keluar dari kondensor
902.6707279
2088.309272
kJ/kg
kJ/kg
Daya netto Siklus Kombinasi
Siklus Rankine
Siklus kombinasi
Rasio laju aliran massa udara dan uap air
Laju aliran massa udara
Laju aliran uap air
Kerja netto siklus Brayton
Kerja netto siklus Rankine
Laju aliran energi panas masuk
Efisiensi thermal siklus kombinasi
B.
0.155480873
1156.983101
179.8887421
339541.603
160458.397
1074788.219
46.52079278
kg/s
kg/s
kW
kW
kW
%
Metode perhitungan dengan kode EES Software.
Gambar 3. Kode pemograman untuk siklus Brayton pada EES software
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
5

6. Gambar 4. Kode pemograman untuk siklus Brayton pada EES software
Gambar 5. Kode pemograman untuk analisa siklus Rankine pada EES software.
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
6

7. Gambar 6. Kode pemograman untuk analisa statistik siklus Rankine dan kombinasi pada EES software.
Gambar 7. Hasil perhitungan akhir dengan kode EES
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
7

8. C.
Metode perhitungan dengan Add-ins Excel
Gambar 8. Spreadsheet untuk parameter siklus Brayton
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
9
8

9. Gambar 9. Spreadsheet untuk parameter siklus Rankine dan analisa statistik siklus kombinasi
Ali Hasimi Pane
Telp: 0813 7093 4621
ali.h.pane@gmail.com
9