bab ii teori turbin uap

7/22/2019 BAB II Teori Turbin Uap

1/34

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II. 1.Sistem PembangkitMenurut hukum thermodinamika energi tidak bisa diciptakan maupun

dihilangkan. Akan tetapi energi bisa dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Karena tidak semua bentuk energi bisa bermanfaat langsung, ataupun

dapat didistribusikan kedalam kehidupan sehari hari, maka pengkonversian

bentuk energi sangat krusial. Karena kebutuhan akan energi khususnya energi

listrik selalu meningkat secara eksponensial bersama dengan peningkatan tingkat

peradaban suatu manusia.

Sebagaimana kita ketahui untuk menghasilkan energi listrik telah banyak

dibangun berbagai jenis pembangkit energi listrik, baik itu merupakan

Pembangkit energi listrik dengan sumber energi terbarukan ataupun tidak.

II.1. 1.DefinisiSecara definisi ada dua definisi yang diketahui tentang pembangkit listrik

yaitu :

Sebuah Unit Situs yang berfungsi untuk merubah jenis energi tertentu

menjadi energi listrik (Power Plant) [1]

Sebuah Situs stasioner yang memiliki beberapa perangkat atau komponen

untuk mengkonversi bentuk energi skala besar dari salah satu jenis energi seperti

hidrolik, uap, atau lainya menjadi energy listrik (Generating Station) [1]


2/34

7

Gambar 2.1 Gambar Situs Pembangkit[p1]

Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan

dari prinsipprinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit

uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.

II.1. 2.Klasifikasi Pembangkit ListrikBila dilihat dari jenis energi yang digunakan untuk membangkitkan energy

listrik maka pembangkit Listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

II.1.2.1.Energi ThermalDalam pembangkit listrik tenaga thermal daya dihasilkan dari mesin

penghasil panas heat engine yang mengubah energi thermal menjadi energi

putar atau mekanik[2]

II.1.2.1.1. Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Thermalpembangkit listrik tenaga thermal sendiri dapat diklasifiksikan atas dua

kriteria yaitu :


3/34

8

a. Sumber bahan bakar:klasfikasi dari pembangkit energi thermal antara lain :

Bahan Bakar Fossil Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Energi Geothermal Pembangki listrik Bertenaga Biomasa Sisa Panas dari Proses Industri Energi Panas Mataharib. Penggerak Utama :Bila dilihat dari penggerak utamanya maka pembangkit Listrik dibedakan

menjadi :

Turbin Uap Turbin Gas Siklus Gabungan Mesin Pembakaran internal dengan Prinsip torak Microturbine, stirling engine

II.1.2.1.2. Siklus ThermodinamikaSistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan

dari prinsipprinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit

uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.


4/34

9

a. Siklus CarnotPertama diusulkan tahun 1824 oleh insyinyur berkebangsaan perancis Sadi

Carnot. Siklus ini terdari dari empat proses reversible dua isothermal dan dua

adiabatic yang dapat dilaksanakan baik dalam sistem tertup maupun tunak.[2

Gambar 2.2. Skema Siklus Carnot[p2]

b. Siklus BraytonPertama diuslkan oleh George Brayton sekitar taun 1870. Siklus ini

digunakan untuk pada gas turbin, dibuat dalam siklus terbuka, dimana proses

kompresi dan ekspansi berlangsung dalam rotating Machienaery.[2]

Siklus turbin gas dapat dimodelkan sebagai siklus tertup dengan

menambahkan asumsi standar udara. Proses pembakaran digantikan dengan

penambahan energi termal adiabatik. Proses pembuangan diganti dengan proses

penghilangan energi termal adiabatik kedalam udara lingkungan.[2]

Siklus Ideal Brayton terbagi atas empat proses yaitu :

1-2 Kompresi Isentropik (Kompresor), 2-3 Penambahan Energi Thermal Isobarik, 3-4 Ekpansi Isentropik (Turbin),

4-1 Penghilangan Energi Thermal Isobarik.


5/34


6/34

11

d. Siklus Kombinasi Gas dan UapPencarian terhadap efisiensi termal telah menghasilkan modifikasi inovatif

terhadappembangkit listrik konvensioanal. Yaitu the binary vapor cycle atau

biasa disebut siklus kombinasi gasvapor atau bisaisebut juga siklus kombinasi,

yang mengkombinasikan siklus rankine dan siklus brayton yang memiliki efisensi

lebih tinggi bila dibandingkan dengan salah satu siklus bila dilaksanakan secara

terpisah.[2]

Gambar 2.5 Skema Siklus Kombinasi Gas dan Uap[p2]

e. Siklus Diesel dan Siklus OttoAdalah siklus yang digunakn sebagai siklus ideal dari motor bakar torak.

Siklus otto sebagai siklus yang digunakan untuk motor bakar torak berbahan

bakar bensin dan siklus diesel untuk motor bakar torak berbahan bakar minya

diesel. Perbedaan dari kedua siklus tersebut adalah pada proses prose yang

dilakukan pada siklus tersebut.


7/34


8/34

13

Gambar 2.7. Pembangkit Listrik Tenaga Air[p5]

b. Pembangkit Listrik Tenaga AnginPembangkit listrik menghasilkan listrik yang berasal dari energi

kinetik dari angin. Prinsipnya adalah angin yang bergerak memutarkan

poros yang dihubungkan ke generator sehingga dapat menghasilkan listrik.

[en.wikipedie.org]

Gambar 2.8. Pembangkit Listrik Tenaga Angin[p5]

c. Pembangkit Listrik Tenaga SuryaTenaga surya adalah konversi sinar matahari menjadi listrik, baik

secara langsung menggunakan photovoltaic (PV), atau tidak langsung

menggunakan tenaga surya terkonsentrasi (CSP). Sistem tenaga surya

terkonsentrasi menggunakan lensa atau cermin dan sistem pelacakan untuk
http://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight&usg=ALkJrhg0Z_mronJSQRcfqS0D2ofp-6gimwhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity&usg=ALkJrhgC6TExrvu8QvBzEj19YzQeFCIoMAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics&usg=ALkJrhi55ym6LUYFf0xRnvt6JbQXj9np8whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power&usg=ALkJrhg4Ag7YFgHVpjeXYws2WRcyKVcJ-whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power&usg=ALkJrhg4Ag7YFgHVpjeXYws2WRcyKVcJ-whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics&usg=ALkJrhi55ym6LUYFf0xRnvt6JbQXj9np8whttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity&usg=ALkJrhgC6TExrvu8QvBzEj19YzQeFCIoMAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight&usg=ALkJrhg0Z_mronJSQRcfqS0D2ofp-6gimw


9/34

14

fokus area besar sinar matahari menjadi sinar kecil. Fotovoltaik mengubah

cahaya menjadi arus listrik dengan menggunakan efek

fotolistrik[en.wikipedie.org]

Gambar 2.9. Pembangkit Listrik Tenaga Air[p5]

II.2 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Siklus pembangkit Uap adalah pembangkit dimana penggerak utamanya

adalah Uap. Air pertama dipanaskan hingga berubah menjadi uap dan memutar

turbin uap. Sehingga memutarkan generator listrik. Setelah uap keluar dari turbin .

turbin dikondensasikan didalam kondensor dan didaur ulang menjadi air. Dimana

prinsip kerja ini dikenal dengan siklus Rankine[3]

II.2.1.Sumber EnergiPembangkit listrik tenaga uap sendiri bias digunakan pada beberapa jenis

sumber enegi yaitu :

1. Geothermal2. Biomassa3. Sampah4. Batubara
http://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?act=url&hl=en&ie=UTF8&prev=_t&rurl=translate.google.com&sl=en&tl=id&twu=1&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect&usg=ALkJrhjuvyxXkRdjPdXqG8b_0yI90HXAnA


10/34

15

II.2.2.Analisis Energi pada SiklusAnalisis energi dapat dilihat dari setiap komponen (alat-alat) yang terdapat

pada siklus Rankine dengan menggunakan asumsi bahwa komponen-komponen

tersebut bekerja pada aliran tunak (steady). Persamaan energi untuk sistem dengan

aliran tunak yaitu:

(2.1)

Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis:

Pompa (2.2)

Boiler (2.3)

Turbin (2.4)

Condenser (2.5)

Dari persamaan diatas diperoleh yaitu:

(2.6)

Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis:

Q

Q

QW

in

out

in

net 1 (2.7)


11/34


12/34

17

Gambar 2.11 Siklus Rankine sebenarnya (a), Siklus Rankine

isentropik (s)[p2]

Efisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung

dengan

12

12

hh

hh

W

W

a

s

a

s

P

(2.8)

a

a

s

aT

hh

hh

W

W

43

43

(2.9)

dimana:

2a & 4a, menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin danpompa.

2s & 4s, menyatakan keadaan isentropic.

II.2.3.Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap


13/34


14/34

19

II.2.4.1.BoilerBoiler adalah sebuah bejana tertutup dimana air atau cairan dipanaskan.

Cairan atau Uap yang telah dipanaskan keluar dari boiler dalam bentuk uap untuk

digunakan dalam beberapa proses atau aplikasi pemanasan[4][5][6]

Gambar 2.13. Boiler[p4]

II.2.4.1.1.Material BoilerBejana tekan dalam boiler biasanya dibuat dari baja (baja paduan), atau

dalam sejarnya dibuat menggunakan besi mentah. Stainless steel dilarang (oleh

Kode boiler ASME) untuk digunakan di bagian yang terbasahi dari boiler, tapi

stainless steel biasa digunakan dalam bagian superheater yang tidak tersentuh

secara langsung terhadap air dalma boiler. Dalam live steam boiler tembaga dan

kuningan kadang juga digunakan karena mudah dibentuk dan mudah dibuat untuk

boiler dengan kapasitas lebih kecil.

II.2.4.1.2.Bahan Bakar (Fuel)Asal dari panas yang digunakan pada boiler adalah hasil pembakaran dari

berbagai jenis bahan bakar, contohnya : kayu, batubara, minyak, atau Gas Alam.


15/34

20

Sedangkan Boiler sistem elektrik menggunakan resistansi atau imersi dari

pemanas listrik, Ada juga penggunaan Nuklir yang biasa disebut Nuklir Fisi

sebagai sumber dari panas yang digunaka pada boiler. Tapi ada yang

menggunakan panas hasil sisa dari proses lainya yang biasa dinamakan Heat

recovery Steam Generator (HRGRs, contohnya seperti gas turbin.

II.2.4.1.3.Konfigurasi / Jenis Jenis BoilerAda beberapa jenis konfigurasi dari boiler. Yang bergantung dari

mekanisme penghasilan uap, seperti:

"Pot boiler" atau"Haycock boiler": adalah ketel uap primitifdimana api memanaskan ketel tersebut dari bawah. Tipe dari oiler ini

menghasilkan uap dengan tekanan sangat rendah

fire Tube boiler. : Jenis ini mengisi tong boiler dengan sedikitjumlah air yang hanya cukup mengakomodasi uap. Tipe jenis ini memiliki tungku

(firebox) yang kemudian dialirkan kedalam pipa pipa. Yang nantinya akan

memanaskan air sehingga menjadi uap.

Gambar 2.14. Fire Tube Boiler[p5]


16/34


17/34


18/34


19/34


20/34

25

Sudu merupakan sebuah sebuah alat yang mengkonversi energ kinetik yang

didapat dari nosel dan mengubahnya menjadi putaran pada poros.

Gambar 2.21 Sudu Turbin Jenis Impulse

CakramCakram merupakan dudukan dari sudu yang menghubungkan dan menghantarkan

energi yang didapat sudu menuju poros turbin uap

Gambar 2.22 Cakram

Poros (shaft)Merupakan komponen utama pada turbin uap yang berfungsi menghatarkan daya

torsi yang diperoleh sudu serta sebagai tempat dudukan cakram


21/34


22/34

27

KoplingFungsi kopling adalah sebagai penghubung mekanisme poros dan generator dan

juga berfungsi mentransmisikan daya poros rotor menuju poros generator

Gambar 2.25Kopling Tetap Pada Turbin Uap

Paking labirinPaking labirin berfungsi mencegah kebocoran uap pada turbin uap

Gambar 2.26Foto Dan Skema Paking Labirin

Rumah Turbin (casing)Rumah turbin berfungsi sebagai tumpuan utama berbagai mekanisme turbin uap

dan berbagai komponen lainnya


23/34


24/34


25/34

30

1. Berdasarkan arah aliran uap di dalam turbin, maka turbin dapat dibedakanmenjadi:

1) Turbin aksial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah yang sejajarterhadap sumbu turbin.

Contohnya turbinParsons dan turbin Curtis.

2) Turbin radial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah tegak lurusterhadap sumbu turbin.

Contohnya turbinLjungstrom

2. Berdasarkan tekanan uap keluar turbin, turbin uap dapat dibedakanmenjadi:

1) Turbin Kondensasi (Condensing Turbine)Pada turbin ini saluran keluar dihubungkan langsung dengan kondensor, sehingga

tekanan uap pada saluran keluar mendekati vakum.

Gambar 2.29 Skema turbin kondensasi

2) Turbin Tekanan Lawan (Back Pressure Turbine)Adalah turbin yang tekanan uap pada saluran keluarnya masih diatas 1 atmosfer,

sehingga uap bekas masih dapat dimanfaatkan.


26/34

31

Gambar 2.30 Skema turbin tekanan lawan

3.1.1 Segitiga kecepatan pada turbin impulsKarena sudu grak berputar, maka ada kecepatan realtif antara uap dan sudu gerak.

Hubungan antara kecepatan sudu gerak dan kecepatan absolute uap adalah salah

satu faktor yang menentukan efisiensi turbin sudu. Dalam pembahasan segitiga

kecepatan , umumnya dipakai notasi-notasi sebagai berikut

U = kecepatan keliling sudu gerak W = kecepatan relatif uap terhadap sudu C = Kecepatan absolut uap

Gambar 2.31 Koefisien kecepatan sebagai fungsi tinggi sudu (ld) [1]


27/34

32

Hubungan antara kecepatan-kecepatan tersebut adalah sebagai berikut:

wuc 111 wuc

222wuc

Dalam arah tangensial :

w1u = w1.cos 1 c1u = c1.cos 1

w2u = w2.cos 2 c2u = c2.cos 2

Dalam arah aksial :

w1a = w1.sin 1 c1a = c1.sin 1

w2a = w2.sin 2 c2a = c2.sin 2

Dari segitiga kecepatan di atas diperoleh hubungan sebagai berikut :

c1u = c2u + u

c2u = w2u - u +

c1u + c2u = c2u + w2u

Gambar 2.32 Koefisien kecepatan sebagai fungsi tinggi sudu (ld) [1]

Uap keluar dari nosel dengan kecepatan absolut c1, kemudian memasuki

barisan sudu gerak dengan sudut 1 (sudut serang nossel). Karena cakram berputar


28/34


29/34


30/34

35

Harga koefisien kecepatan untuk sudu gerak maupun sudu tetap (pengarah) dapat

diperoleh dari gambar.

Gambar 2.33 Koefisien Kecepatan Sebagai Fungsi Tinggi Sudu (Ld) [1]

Kecepatan absolut uap yang keluar dari sudu gerak (c2), dapat ditentukan secara

grafis dari diagram kecepatan atau dengan menggunakan persamaan berikut:

2

22

22cos..2 uuwc [m/s] (4.7)

Uap keluar dari sudu gerak dengan sudut 2 dan ditentukan dari persamaan :

2

21

22

.sin.sin

c

u (4.8)

II.2.4.2.3 Ekspansi Uap Pada Nosel

Pada nosel terjadi perubahan energi entalpi uap menjadi energi kinetik uap,

proses tersebut dinamakan proses ekspansi atau proses pengembangan,

karena volume spesifik uap keluar nosel membesar. Pada proses

pengembangan uap ini terjadi :

- Tekanan uap turun - Kecepatan uap naik

- Temperatur turun - Volume spesifik naik

- Entalpi turun


31/34

36

Jika tidak terjadi perpindahan panas dengan lingkungan, maka berdasarkan

hukum kekekalan energi, energi total uap pada sisi masuk sama dengan pada

sisi keluar nosel, yaitu :

22

2

1

1

2

0

0

vh

vh (4.9)

Dimana:

2

0

2

0cv ;

2

1

2

1cv

00

2

0

0

2hvh

01

2

1

1

2h

vh

Pada nosel terjadi rugi-rugi energi yang akan menyebabkan berkurangnya

kecepatan uap yang keluar dari nosel. Kerugian tersebut dinyatakan

sebagai koefisien kecepatan , sehingga kecepatan absolut uap sewaktu

meninggalkan nosel dapat ditentukan:

Harga dapat diperoleh dari gambar 4.12. Harga tergantung dari dimensi

dan bentuk nosel yang besarnya hanya dapat ditentukan melalui eksperimen,

biasanya antara 0,91 sampai 0,98.

Gambar 2.34 Koefisien Kecepatan () Sebagai Fungsi Tinggi Nosel (Ln)[1]


32/34


33/34

38

aliran, penebalan lapisan batas, turbulensi pada olakan( kerugian olakan) dan

kerugian pada dinding dinding di bawah sudu nosel, dll

Kerugian pada kecepatan uap yang keluar dari nosel telah dicakup oleh koefisien

kecepatan nosel . Besarnya koefisien kecepatan sangat tergantung dari

tinggi nosel dimana semakin kecil ukuran nosel maka koefisien kecepatan

sudu juga akan semakin berkurang. Koefisien kecepatan sudu dapat dambil

dari data berikut

Untuk coran kasar nilai = 0,93 - 0,94

Untuk nosel yang dicor dan di mesin freis = 0,950,96

Untuk nosel yang difrais halus = 0,970,98

Kerugian pada sudu gerakKerugian pada sudu gerak disebabkan oleh beberapa faktor yaitu kerugian akibat

olaka pada ujung belakang sudu kerugian akibat turbrukan, kerugian akibat

kebocoran ua melingkar, kerugian akibat gesekan, kerugian akibat pembelokan

semburan uap pada sudu dan kerugian akibat penyelubungan.

Kerugian total pada sudu telah dicakup oleh koefisien kecepatan sudu . Koefisien

kecepatan sudu dapat diperoleh dari gambar 2. Untuk berbagai ukuran tinggi sudu

Kerugian akibat gesekan cakramKergian terajdi diantara cakram turbin yang berputar dan uap yang

menyelubunginya. Cakram yang berputar itu menarik partikel partikel yang ada di

dekat permukaannya dan memberi gaya gaya yang searah dengan putarannya.

Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan partikel partikel uap ini akan

dikonversi menjadi kalor. Hal ini menyebabkan bertambahnya kandungan kalor

uap


34/34

bab ii teori turbin uap

Documents