studi kasus siklus kombinasi (siklus brayton dan rankine) menggunakan ees software dan aad-ins excel
Post on 25-May-2015
3.248 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 1
STUDI KASUS: ANALISA THERMODINAMIKA SIKLUS KOMBINASI MENGGUNAKAN
ADD-INS EXCEL DAN ENGINEERING EQUATION SOLVER (EES) SOFTWARE Ali Hasimi Pane1
1Mahasiswa 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. Pendahuluan
Siklus kombinasi, dalam sistem pembangkit tenaga,
adalah gabungan antara dua sistem pembangkit tenaga,
seperti pembangkit tenaga uap dan pembangkit tenaga
gas (siklus Rankine dan Brayton). Penggabungan dari
dua siklus ini adalah bertujuan untuk meningkatkan
efisiensi thermal siklus dan dapat mengefisiensi
penggunaan bahan bakar, karena gas buang dari siklus
Brayton yang pada dasarnya masih bertemperatur tinggi
dimanfaatkan kembali untuk membantu proses
pembakaran dalam siklus Rankine.
Dalam proses analisa siklus kombinasi, tidak
terlepas dari peran analisa thermodinamika,
keseimbangan massa dan energi melalui sifat-sifat fluida
kerjanya yang dapat diperoleh berdasarkan tekanan dan
temperatur operasi siklus dan menggunakan tabel-tabel
thermodinamika. Dalam penulisan ini akan
diperkenalkan penggunaan perangkat lunak komputer
untuk menyelesaikan analisa perhitungan terhadap siklus
kombinasi tersebut yaitu add-ins excel dan EES software.
Disini akan mempermudahkan kita dengan mengabaikan
pembacaan sifat-sifat fluida melalui tabel
thermodinamika. Akan tetapi hasil akhir yang akan
diperoleh nantinya akan tetap diperbandingkan terhadap
hasil perhitungan manual. (yaitu menggunakan data dari
tabel thermodinamika/literatur).
II. Studi Literatur
Dalam proses analisa siklus kombinasi (gambar 1),
dengan tujuan untuk menentukan daya guna siklus
ditinjau dari analisi energi thermal, dan digunakan
persamaan-persamaan analisa thermodinamika. Siklus
kombinasi (seperti gambar 1), yang bagian atasnya
merupakan siklus Brayton dan bagian bawahnya adalah
siklus Rankine. Kombinasi kedua siklus ini secara luas
digunakan sebagai pembangkit tenaga.
2.1. Analisa Thermodinamika Siklus Brayton
Siklus Brayton ideal, yang terdiri dari empat
komponen yaitu kompresor, turbin gas, dan dua alat
penukar kalor untuk proses pemabakaran dan
pembuangan energi panas dari siklus.
Dengan mengidealisasi kerja kompresor dan turbin
gas adalah proses adiabatik, diasumsikan bahwa
pengaruh dari energi kinetik dan potensial yang terjadi
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 2
pada saat proses kerja berlangsung dapat diabaikan, maka
kerja kompresor ( CW ) dan turbin gas ( TW ) per satuan
laju aliran massa udara, seperti gambar 1.
12 hhm
WC
…1
dan
43 hhm
WT
…2
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:
C
C
aktual
C mWm
W
/
…3
dan
TT
aktual
Tm
Wm
W
…4
Kemudian untuk proses energi panas masuk ( inQ ) ke
siklus dan pembuangan energi panas ( outQ ) dari siklus
yang berlangsung pada tekanan konstan, maka energi
panas masuk dan energi keluar per satuan laju aliran
massa udara, seperti gambar 1:
23 hhm
Qin
…5
dan
54 hhm
Qout
…6
2.2. Analisa Thermodinamika Siklus Rankine Ideal
Dengan mengidealisasi kerja pompa ( PW ), air
adalah sebagai fluida kerjanya yang tak mampu mampat,
sehingga kerja pompa dengan mengasumsikan bahwa
fluida kerja tanpa irreversible dapat ditentukan:
7
6dpv
mWP
…7
atau
)( 676 ppvm
WP
…9
Gambar 1. Siklus kombinasi (siklus Brayton dan Rankine)
Gambar 2. Diagram T-s siklus kombinasi
Dimana v adalah volume spesifik diperoleh dari tabel uap
air, kemudian dari persamaan keseimbangan massa dan
energi, maka kerja pompa dan turbin dapat ditentukan:
67 hh
mWP
…9
dan
98 hhm
WT
…10
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 3
Dimana h adalah enthalpi diperoleh dari tabel uap air,
karena sifat tak mampu balik sistem, kerja aktual pompa
dan turbin uap dapat ditentukan:
P
P
aktual
P mWm
W
/
…11
dan
T
T
aktual
Tm
Wm
W
…12
Sementara untuk energi panas yang diterima oleh
pembangkit uap berdasarkan gambar 1:
m
Qm
Q HRSGin
…13
Untuk kondensor pada kondisi steadi, dari persamaan
keseimbangan massa dan energi dapat ditentukan besar
laju energi panas yang dibuang:
69 hhm
Qout
…14
2.3. Analisa thermodinamika siklus kombinasi
Pada siklus kombinasi terdapat sebuah sistem
HRSG (heat recovery steam generation),yang berfungsi
sebagai alat penukar kalor, dimana energi panas gas
buangan turbin gas dimanfaatkan kembali untuk
membangkitkan uang dalam siklus Rankine. Dalam
kondisi operasi steadi, HRSG, dimana perpindahan panas
kelingkungan dan perubahan energi potensial dan kinetik
dapat diabaikan, maka dari persamaan keseimbangan
massa dan energi:
0)()( 7854 hhmhhm uapudara …15
atau perbandingan laju aliran massa uap dan udara dapat
ditentukan:
)()(
78
54hhhh
mm
udara
uap
…16
Sementara daya guna dari siklus kombinasi dapat
ditentukan:
netin
RankinenetBraytonnet
netin
siklusnetsiklusTh Q
WW
Q
W
,
,,
,
,,
...17
III. Data dan Metodologi
3.1. Data siklus kombinasi
Daya netto siklus kombinasi = 500 MW
Siklus Brayton
Rasio tekanan siklus Brayton = 18
Udara masuk kompressor = 30 oC, 1 atm
Temperatur gas pembakaran
masuk turbin = 1250 oC
Temperatur gas buang keluar HRSG = 200 oC
Efisiensi isentropis kompresor = 0,90
Efisiensi isentropis turbin = 0,80
Siklus Rankine
Uap air masuk turbin = 450 oC, 10 Mpa
Tekanan kondensor = 20 kPa
Efisiensi isentropis pompa = 0,95
Efisiensi isentropis turbin = 0,80
3.2. Metodologi
Metode penyelesaian adalah dilakukan dengan
persamaan-persamaan keseimbangan massa dan energi
thermodinamika. Setelah itu, dihitung secara manual, dan
hasil perhitungan akan dibandingkan dengan hasil yang
menggunakan add-in excel dan menggunakan perangkat
lunak komputer komersial yaitu engineering equation
solver (EES) software.
IV. Hasil dan Pembahasan
Dari hasil analisa perhitungan, dengan
menggunakan 3 metode, yaitu: metode pertama
dilakukan perhitungan secara manual dimana data sifat-
sifat thermodinamika diambil dari tabel literatur. Metode
kedua adalah dengan add-ins excel dan ketiga adalah
dengan EES software (langkah peyelesaian pada
lampiran). Perbandingan hasil akhir perhitungan dari
ketiga metode tersebut, seperti tabel 4.1.
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 4
Tabel 4.1. Perbandingan hasil perhitungan
V. Kesimpulan
Analisa hasil perhitungan dari ketiga metode tersebut,
dimana memiliki tingkat kemudahan dan kesulitan
masing-masing. Diperoleh hasil akhir bahwa, baik dari
hasil perhitungan manual maupun hasil perhitungan
dengan metode add-ins excel dan EES software, pada
tingkat perbandingan persentase error-nya adalah sebesar
0,30632% atau dibawah 1%.
VI. Referensi
[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
Biography
Ali Hasimi Pane,
Mahasiswa magister (S2)
Fakultas Teknik, Jurusan teknik
mesin USU–Medan, dengan
konsentrasi studi konversi
energi.
Sarjana Teknik (S1) selesai pada tahun 2004 dari Institut
Teknologi Medan (ITM), konsentrasi studi konversi
energi.
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 5
Lampiran: Metode penyelesaian Siklus Kombinasi
A. Hasil perhitungan manual menggunakan tabel thermodinamika literatur.
Parameter Hasil Keterangan
Daya netto Siklus Kombinasi 500000 kW
Kerja aktual kompressor 431.7064224 kJ/kg Kerja aktual turbin gas 725.1779544 kJ/kg Energi panas masuk pada ruang bakar 928.9575776 kJ/kg
Siklus Rankine
Kerja aktual pompa 10.68385263 kJ/kg Kerja aktual turbin uap 902.6707279 kJ/kg Energi panas keluar dari kondensor 2088.309272 kJ/kg
Siklus kombinasi
Rasio laju aliran massa udara dan uap air 0.155480873 - Laju aliran massa udara 1156.983101 kg/s Laju aliran uap air 179.8887421 kg/s Kerja netto siklus Brayton 339541.603 kW Kerja netto siklus Rankine 160458.397 kW Laju aliran energi panas masuk 1074788.219 kW Efisiensi thermal siklus kombinasi 46.52079278 %
B. Metode perhitungan dengan kode EES Software.
Gambar 3. Kode pemograman untuk siklus Brayton pada EES software
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 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 ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 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 ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 9
C. Metode perhitungan dengan Add-ins Excel
Gambar 8. Spreadsheet untuk parameter siklus Brayton
8
Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com Telp: 0813 7093 4621 9
Gambar 9. Spreadsheet untuk parameter siklus Rankine dan analisa statistik siklus kombinasi
top related