BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II. 1.Sistem 1. Sistem Pembangkit
Menurut 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.Definisi 1. Definisi
Secara 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 ( Generating Station) Station) [1]
6
[p1]
Gambar 2.1 Gambar Situs Pembangkit
Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan dari prinsip – prinsip – prinsip prinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.
II.1. 2.Klasifikasi 2. Klasifikasi Pembangkit Listrik
Bila dilihat dari jenis energi yang digunakan untuk membangkitkan energy listrik maka pembangkit Listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
II.1.2.1.Energi II.1.2.1.Energi Thermal
Dalam pembangkit listrik tenaga thermal daya dihasilkan dari mesin penghasil panas “heat “heat engine” yang mengubah energi energ i thermal menjadi energi putar atau mekanik [2]
II.1.2.1.1.
Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Thermal
pembangkit listrik tenaga thermal sendiri dapat diklasifiksikan atas dua kriteria yaitu :
7
[p1]
Gambar 2.1 Gambar Situs Pembangkit
Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan dari prinsip – prinsip – prinsip prinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.
II.1. 2.Klasifikasi 2. Klasifikasi Pembangkit Listrik
Bila dilihat dari jenis energi yang digunakan untuk membangkitkan energy listrik maka pembangkit Listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
II.1.2.1.Energi II.1.2.1.Energi Thermal
Dalam pembangkit listrik tenaga thermal daya dihasilkan dari mesin penghasil panas “heat “heat engine” yang mengubah energi energ i thermal menjadi energi putar atau mekanik [2]
II.1.2.1.1.
Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Thermal
pembangkit listrik tenaga thermal sendiri dapat diklasifiksikan atas dua kriteria yaitu :
7
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 Matahari
b.
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 Thermodinamika
Sistem Pembangkitan daya atau pembangkit listrik merupakan penerapan dari prinsip – prinsip – prinsip prinsip siklus dasar thermodinamika. Contohnya untuk pembangkit uap maka idealisasinya menggunakan siklus ideal rankine.
8
a. Siklus Carnot
Pertama 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 Brayton
Pertama 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.
9
Gambar 2.3 Skema Siklus Brayton
[p2]
c. Siklus Rankine
Merupakan siklus ideal untuk pembangkit uap. Siklus ini tidak mengikutsertakan sedikitpun proses yang irreversible dan terdiri dari empat proses.[2]yaitu :
3-4 Kompresi Isentropic di Pompa
4-1 Penambahan Energi Termal isobaric di Boiler
1-2 Ekspansi Uap Isentropic di Turbin
1-3 Penghilangan Energi Termal Isobarik di Kondensor
Gambar 2.4. Skema Siklus Rankine
[p2]
10
d. Siklus Kombinasi Gas dan Uap
Pencarian terhadap efisiensi termal telah menghasilkan modifikasi inovatif terhadappembangkit listrik konvensioanal. Yaitu “the binary vapor cycle” atau biasa disebut siklus kombinasi gas – vapor 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 Otto
Adalah 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.
11
[p3]
Gambar 2.6. Skema Siklus Diesel dan Otto
II.1.2.2. Jenis Energi Lain
Terdapat beberapa jenis pembangkit energi lain yang juga sangat bermanfaat bagi masyarakat dalam menghasilkan energi listrk seperti Pembangkit listrik tenaga Air, tenaga Angin maupun tenaga Surya. a.
Pembangkit listrik Tenaga Air
Pembangkit Listrik tenaga air menghasilkan listrik yang berasal dari energy potensial dan kinetic hidrolis air. Yang memiliki prinsip sebagai berikut : Air ditampung di dalam dam yang kemudian dialirkan ke turbin yang dikopelkan ke generator sehingga mengkonversi energi hidrolis air tersebut menjadi energi listrik, [3]
12
Gambar 2.7. Pembangkit Listrik Tenaga Air
b.
[p5]
Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Pembangkit 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 c.
[p5]
Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Tenaga 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
13
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
II.2
[p5]
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 Energi
Pembangkit listrik tenaga uap sendiri bias digunakan pada beberapa jenis sumber enegi yaitu : 1.
Geothermal
2.
Biomassa
3.
Sampah
4.
Batubara
14
II.2.2.Analisis Energi pada Siklus
Analisis 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
Boiler
(2.3)
Turbin
(2.2)
(2.4)
Condenser
(2.5)
Dari persamaan diatas diperoleh yaitu:
(2.6)
Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis:
W Q
net in
1
Q Q
out
(2.7)
in
15
Pada kenyataannya terdapat kerugian dalam siklus Rankine yang terjadi karena: 1.
Terjadi gesekan fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di
boiler dan kondensor sehingga tekanan uap pada saat keluar boiler sangat rendah maka kerja yang dihasilkan turbin (Wout ) dan efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk. 2.
Kalor yang hilang ke lingkungan menyebabkan kebutuhan kalor
(Qin) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya berkurang. Penyimpangan pada siklus Rankine ditunjukkan oleh Gambar 2.10 dibawah ini.
Gambar 2.10 Siklus Rankine sebenarnya
[p3]
Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin, sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja (Wout ) yang lebih rendah seperti pada Gambar 2.11 dibawah ini.
16
Gambar 2.11 Siklus Rankine sebenarnya (a), Siklus Rankine isentropik (s)
[p2]
Efisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung dengan
P
T
W s
W a
W a W s
h2 s h1 h2a h1 h3
h4 a
h3
h4 a
(2.8)
(2.9)
dimana:
2a & 4a, menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin dan pompa.
2s & 4s, menyatakan keadaan isentropic.
II.2.3.Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap
17
Gambar 2.12. Skema Siklus pembangkit Listrik Tenaga Uap
[p2]
Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap adalah siklus rankine, dimana uap berasal dari air yang dipompa kedalam boiler dan dirubah fasanya menjadi Uap super panas di boiler tersebut. Proses tersebut dilakukan secara kontinu dan simultan. Setelah itu uap masuk kedalam turbin dan didalam turbin tersebut energi thermal dari uap dikonversikan menjadi energi putar atau mekanik didalam turbin. Energi mekanik tersebut digunakan untuk mnggerakkan generator sehingga dapat menghasilkan arus listrik. Uap yang telah digunakan kemudian dikondensatkan sehingga dapat digunakan kembali didalam siklus.
II.2.4.Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Uap
Komponen – komponen utama dari pembangkit listik tenaga uap adalah : 1.
Boiler
2.
Tubin Uap
3.
Kondensor
4.
Pompa
5.
Katup
18
II.2.4.1.Boiler
Boiler 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 Boiler
Bejana 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.
19
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 Boiler
Ada beberapa jenis konfigurasi dari boiler. Yang bergantung dari mekanisme penghasilan uap, seperti:
"Pot boiler" atau"Haycock boiler" : adalah ketel uap primitif
dimana 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 sedikit
jumlah 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]
20
o
Water Tube Boiler . : Pada jenis Ini tabung air disusun dalam
ruang pembakaran (Oven) dengan beberapa jenis konfigurasi. biasanya jenis ini ada tabung yang mengubungkan antara tabung besar yang berisi air dengan tabung yang berisi uap .
Gambar 2.15. Water Tube Boiler
[p5]
Fire-tube boiler dengan Water-tube firebox.
Jenis ini merupakan penggabungan antara firetbe dan water tbe tapi aplikasi dari boiler tipe jenis ini tidak terlalalu banyak diaplikasikan
II.2.4.2.Turbin Uap
Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini yang selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros tubin. Poros turbin tersebut langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digerakkan turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang industri, seperti untuk pembangkit listrik.
21
[1 ]
Gambar 2.16 Tu r bin e generator system II.2.4.2.1
Komponen Utama Turbin Uap
Secara umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap ters usun atas
: Gambar 2.17 Potongan Secara Melintang Sebuah Turbin Uap
Nosel ( Nozzle) Nosel berfungsi sebagai alat pengekspansi uap dan mengubah energi
potensial uap menjadi energi kinetik. Suatu nosel memiliki suatu batasan
22
kemampuan dalam menurunkan tekanan batasan tersebut dinamakan tekanan kritis.
Gambar 2.18 Skema Nosle Kon vergen
Tekanan kritis (Pkr) pada nosel dari penyelidikan penyelidikan teoritis dan percobaan, diketahui bahwa uap yang mengalir melalui nosel dengan penampang jenis konvergen dimana uap berekspansi didalamnya dan mencapai nilai minimum tertentu pkr. Yang sama dengan 0,577 dari tekanan awal untuk uap kering jenuh, dan 0,546 dari tekanan awal untuk untuk uap panas lanjut Pada turbin uap nosel dibagi menjadi dua kategori berdasarkan tekanan awal dan akhir uap sebelum dan sesudah nosel,yaitu o
Nosel konvergen
Nosel yang mempunyai laluan dengan luas penampang yang mengecil secara seragam.
23
Gambar 2.19 Skema Nosle Kon vergen
dimana ujung sisi keluar memiliki luas penampang yang minimum dalam hal ini nosel dapat mengekspansi tekanan uap sampai pada tekanan kritisnya o
Nosel konvergen-difergen
Nosel yang memiliki laluan penampang yang mengecil yang sering disebut leher(throat ) dan kemudian membesar.
Gambar 2.20 Skema Nosel Konvergen-Di vergen
Kelebihan nosel konvergen yaitu dapat mengekspansi tekanan lebih dari tekanan kritisnya
Sudu (blade)
24
Sudu merupakan sebuah sebuah alat yang mengkonversi energ kinetik yang didapat dari nosel dan mengubahnya menjadi putaran pada poros.
Gambar 2.21 Sudu T urbin Jenis Impulse
Cakram
Cakram 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
25
Gambar 4.23 Poros Turbin Yang Sedang Dimesin
Bantalan (bearing )
Bantalan berfungsi sebagai tumpuan poros dan meminimalkan gesekan pada poros. Bantalan yang dipakai pada turbin uap umumnya berupa bantalan aksial dan bantalan radial.
Gambar 2.24 Bantalan Radial Dan Aksial
26
Kopling
Fungsi kopling adalah sebagai penghubung mekanisme poros dan generator dan juga berfungsi mentransmisikan daya poros rotor menuju poros generator
Gambar 2.25 Kopling Tetap Pada Turbin Uap
Paking labirin
Paking labirin berfungsi mencegah kebocoran uap pada turbin uap
Gambar 2.26 Foto Dan Skema Paking Labirin
Rumah Turbin (casing )
Rumah turbin berfungsi sebagai tumpuan utama berbagai mekanisme turbin uap dan berbagai komponen lainnya
27
Gambar 2.27 Casing Turb in Uap Buatan AEG
II.2.4.2.2
Klasifikasi Turbin Uap
Turbin uap dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori sebagai berikut :
Menurut jumlah tingkat tekanan:
o
Turbin dengan tingkat tunggal ( singel stage turbine)
Diamana turbin jenis ini banyak dipakai untuk menggerakan mesin kompresor ataupun yang sejenisnya. o
Turbin dengan tingkat banyak (multi stage turbine)
Dimana turbin jenis ini dibuat untuk jangka kapasitas yang luas mulai dari yang kecil hingga yang besar.
Menurut arah alir uap
o
Turbin aksial
Turbin dimana arah aliran uap sejajar dengan sumbu turbin o
Turbin radial
Turbin dimana arah airan uapa tegak lurus dengan sumbu poros turbin.
28
berdasarkan konstruksi, penurunan kalor, kondisi-kondisi awal dan akhir, serta pemakaiannya dalam bidang industri.
Berdasarkan tekanan uap yang digunakan untuk menggerakkan menggerakan roda jalan melalui sudu, maka turbin uap dibagi menjadi: 1)
Turbin Impuls atau sering disebut turbin aksi ataupun turbin tekanan tetap.
Pada turbin jenis ini uap mengalami ekspansi hanya pada nozzle saja sehingga tekanan uap sebelum sudu dan sesudah sudu tetap. 2)
Turbin Reaksi atau turbin tekanan berubah. Pada turbin jenis ini uap
mengalami ekspansi di dalam nozzle maupun sudu-sudu turbin, sehingga tekanan uap setelah keluar dari tiap tingkat sudu mengalami penurunan dari tingkat sebelumnya.
Gambar 2.28 Turbin impuls (kiri), Turbin reaksi (kanan)
29
1.
Berdasarkan arah aliran uap di dalam turbin, maka turbin dapat dibedakan
menjadi: 1)
Turbin aksial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah yang sejajar
terhadap sumbu turbin. Contohnya turbin Parsons dan turbin Curtis. 2)
Turbin radial, pada turbin ini fluida kerja mengalir dalam arah tegak lurus
terhadap sumbu turbin. Contohnya turbin Ljungstrom 2.
Berdasarkan tekanan uap keluar turbin, turbin uap dapat dibedakan
menjadi: 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.
30
Gambar 2.30 Skema turbin tekanan lawan
3.1.1
Segitiga kecepatan pada turbin impuls
Karena 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 (l d )
[1 ]
31
Hubungan antara kecepatan-kecepatan tersebut adalah sebagai berikut: c
uw
c
u 1 w1
c2
1
u2
w2
Dalam arah tangensial : w1u = w1.cos β1
c1u = c1.cos α1
w2u = w2.cos β2
c2u = c2.cos α2
Dalam arah aksial : w1a = w1.sin β1
c1a = c1.sin α1
w2a = w2.sin β2
c2a = c2.sin α2
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 (l d )
[1 ]
Uap keluar dari nosel dengan kecepatan absolut c 1, kemudian memasuki barisan sudu gerak dengan sudut 1 (sudut serang nossel). Karena cakram berputar
32
dengan kecepatan putar n dan kecepatan tangensial u, maka kecepatan uap masuk akan berubah besar dan arahnya. Kecepatan uap tersebut disebut sebagai kecepatan uap masuk relatif, w1 (gambar 4.9). Uap keluar dari sudu gerak baris pertama dengan kecepatan absolut c2 akan membentuk sudut α2 terhadap arah putaran cakram, sedangkan kecepatan relatifnya adalah w2 dengan sudut β 2. Uap yang keluar dari sudu gerak baris pertama akan masuk ke sudu tetap (sudu pengarah) yang selanjutnya masuk ke sudu gerak baris kedua dan seterusnya. Sudut serang nosel ( 1)
dibuat sekecil mungkin untuk memperoleh gaya
tangensial yang besar, namun karena dibatasi oleh konstruksi turbin uap, maka disarankan bahwa sudut 1 haruslah berada diantara 11o-14o (untuk tingkattingkat tekanan tinggi), yang secara berangsur-angsur 1 diperbesar (biasanya hanya dapat pada tingkat-tingkat tekanan rendah untuk turbin-turbin kondensasi) hingga ke 20o dan dalam hal khusus bahkan dapat dibuat lebih besar lagi yaitu 30 o sampai 35o. Untuk turbin Curtis dengan dua tingkat kecepatan, 1 = 16o – 22o sedangkan untuk turbin Curtis dengan tiga kecepatan, 1 = 20o – 24o. Harga kecepatan tangensial sudu (u) dapat ditentukan untuk variasi harga u/c1 yang tertentu. Kecepatan tangensial merupakan kecepatan keliling turbin pada diameter cakram rata-rata. Kecepatan tangensial dapat diperoleh dari persamaan berikut:
u u = .c1 c1
[m/s]
(4.1)
Kecepatan tangensial terbesar pada tingkat tekanan terakhir turbin diatasi sampai 350 m/s. Perbandingan
antara kecepatan keliling (tangensial) dan
33
kecepatan uap absolut, x = u/c 1, merupakan variabel yang sangat penting dalam perancangan turbin uap, khususnya dalam menentukan efisiensi internal relatif turbin (ηu). Dalam perhitungan, harga u/c 1 diasumsikan terlebih dahulu dan sebagai perhitungan awal untuk berbagai tingkat kecepatan turbin, harga u/c 1 dapat menggunakan batasan berikut. Pada turbin bertingkat, diameter turbin pada setiap tingkatannya dibuat sedemikian rupa sehingga kenaikan diameter terjadi secara gradual dari tingkat pertama sampai tingkat terakhir. Untuk mempermudah dalam menentukan besar kecepatan dan sudut pada sudu turbin, maka perlu digambarkan segitiga kecepatan baik pada sisi masuk maupun pada sisi keluar sudu. Kecepatan relatif, w1 dapat ditentukan dari diagram segitiga kecepatan atau dengan persamaan matematika untuk aturan cosinus, yaitu : w1 c12 u 2 2.u.c1. cos 1
[m/s]
(4.3)
Besar sudut β1 adalah : u. sin. 1 1 1 sin 1 w1
(4.4)
Biasanya sudut β2 ditentukan sebagai berikut: β2 = β1- (2o – 10o)
(4.5)
Pada sudu akan terjadi rugi-rugi energi yang menyebabkan kecepatan relatif w 2 akan lebih kecil dari kecepatan relatif w1. Rugi-rugi energi tersebut dinyatakan sebagai koefisien kecepatan sudu(ψ) sehingga: w2 = ψ. w1
[m/s]
(4.6)
34
Harga koefisien kecepatan untuk sudu gerak maupun sudu tetap (pengarah) dapat diperoleh dari gambar.
Gambar 2.33 Koefisien Kecepatan
Sebagai Fungsi Tinggi Sudu (L d)
[1]
Kecepatan absolut uap yang keluar dari sudu gerak (c 2), dapat ditentukan secara grafis dari diagram kecepatan atau dengan menggunakan persamaan berikut: c2
w22 u 2 2.u. cos 2
[m/s]
(4.7)
Uap keluar dari sudu gerak dengan sudut α 2 dan ditentukan dari persamaan :
u. sin . 2 c2
2 2 sin 1
II.2.4.2.3
(4.8)
Ekspansi Uap Pada Nosel
Pada nosel terjadi perubahan energi entalpi uap menjadi energi kinetik uap, pros es 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
35
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 : 2
h0
v0 2
2
h1
v1
2
(4.9)
Dimana: v
2 0
c
2
0 ;
v
2
1
c
2
1
2
h0
v0 2
h00
h01
2
h1
v1
2
Pada nosel terjadi rugi-rugi energi yang akan menyebabkan berkurangnya kecepatan uap yang keluar dari nosel. Kerugian
tersebut dinyatakan
sebagai koefisien kecepatan φ, sehingga kecepatan absolut uap sewaktu meninggalkan nosel dapat ditentukan: Harga φ dapat diperoleh dari gambar 4.12. Harga φ tergantung dari dimensi dan bentuk nosel yang besarnya hanya dapat ditentukan melalui eksperimen, biasanya ant ara 0,9 1 s ampai 0,98.
Gambar 2.34 Koefisien Kecepatan ( Φ ) Sebagai Fungsi Tinggi Nosel (L n )
[1]
36
II.2.4.2.4
Kerugian Energi Pada Turbin Uap
Pada suatu tingkat turbin, jumlah penurunan kalor yang benar benar dikonversi menjadi enrgi mekannis pada poros turbin adalah kecil
hal ini
dikarenakan terdapat beberapa kerugian yang timbul pada turbin pada kenyataannya. Semua kerugian yang timbul pada turbin aktual dapat dibagi menjadi beberapa kelompok: 1
Kerugian dalam yaitu kerugian yang berkaitan dengan kondisi kondisi uap
sewaktu uap tersebut mengair melalui turbin 2
Kerugian luar yaitu kerugian yang tidak mempengaruhi kondisi kondisi
uap. Jenis jenis kerugian luar dapat diklasifikasikan sebagai berikut
kerugian pada katup pengatur
kerugian pada katup pengatur umumnya disebabkan oleh pencekikan (thottling) pada katup tersebut. Kita dapat mengandaikan bahwa selama proses pencekikan kandungan kalor total uap per kilogram akan tetap sama, dengan kata lain h0 = konstan Besarnya kerugian tekanan akibat pencekikan dengan katup pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5% dari tekanan uap segar ,oleh
Kerugian pada nosel(sudu pengarah)
Kerugian kerugian energi kinetik uap sewaktu mengalir melalui laluan lauan nosel atau sudu pengarah akibat kerugian energi uap sebelum memasuki nosel, tahanan gesek dinding dinding nosel, gesekan akibat visikositas partikel, penyimpangan
37
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 φ. 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 φ = 0,93 - 0,94 Untuk nosel yang dicor dan di mesin f reis φ = 0,95 – 0,96 Untuk nosel yang difrais halus φ = 0,97 – 0,98
Kerugian pada sudu gerak
Kerugian 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 cakram
Kergian
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
38
