1

BAB 1: LOJI KUASA STIM

2

HUKUM KE-2 TERMO SEPINTAS LALU

“…secara semulajadi haba akan mengalir dari takungan yang panas ke takungan yang sejuk…”

Σ Haba kasar > Σ kerja bersih

Terdapat beberapa pertanyaan penting iaitu:ClaussiusKelvin Plank

3

KONSEP ENJIN HABA

Definasi : Enjin haba merupakan satu sistem yang menghasilkan kerja dari haba yang dibekalkan.

Dari pertanyaan-pernyataan Hukum ke-2:

1. Enjin haba akan mempunyai 2 takungan iaitu:a) Takungan Panasb) Takungan Sejuk

4

KONSEP ENJIN HABA2. Haba akan mengalir dari panas ke takungan sejuk.3. Jumlah kerja bersih yang dihasilkan oleh sebuah

enjin haba harus lebih kecil dari haba yang dibekalkan.

Qin > Wout - Win

5

LOJI KUASA STIM

1. Merupakan satu contoh enjin haba.

2. Loji kuasa stim menerima haba daripada pembakaran bahan api dan haba tersebut mengalir ke dalam stim.

3. Melalui proses-proses yang tertentu, stim akan memusingkan aci yang disambungkan kepada turbin bagi menghasilkan kuasa.

6

LOJI KUASA STIM MUDAH

TURBIN

PEMELUWAP

PAM AIR SUAPAN

DANDANG

KOMPONENASAS

Dandang

Pemeluwap

Turbin

Pam air suapan

7

Stim yang berada pada tekanan yang tinggi setelah melalui pemampat akan menerima haba daripada hasil pembakaran bahan api dan udara. Ini menyebabkan stim berada pada aras tenaga yang tinggi.

Stim pada aras yang tinggi akan memasuki turbin. Tenaga dari stim akan berpindah bentuk menjadi kerja apabila stim memusingkan bilah untuk memusingkan Aci. Aci ini disambungkan ke alat-alat gunakuasa stim yang berada pada tekanan tinggi dan mengalami penurunan tekanan setelah melalui turbin.

Stim memasuki pemeluwap dan menyingkirkan haba ke persekitaran. Ini dilakukan dengan memindahkan haba ke air penyejuk yang mengalir keluar dan masuk pemeluwap.

Setelah haba dibebaskan ke persekitaran, stim akan dimampatkan di dalam pam air suapan ke satu nilai tekanan yang tinggi.

DANDANG

TURBIN

PEMELUWAP

PAM AIR SUAPAN

8

APLIKASI LOJI DENGAN KONSEP ENJIN HABA

Dandang

Pemeluwap

Turbin

Pam air suapan

TAKUNGAN PANAS

TAKUNGAN SEJUK

Q1-2

Q3-4

W2-3W4-1

9

KITAR CARNOT UNTUK AIR

Salah satu jenis kitar bagi loji kuasa stim ialah kitar Carnot. Kitar ini diambil atas nama perekanya iaitu Sida Carnot. Kitar ini mencadangkan beberapa siri proses bolehbalik yang memberikan kecekapan yang maksima. Proses-proses itu ialah:

1-2 Proses penambahan haba, Qin pada suhu malar

2-3 Proses pengembangan isentropik (S2 = S3)

3-4 Proses penyingkiran haba Qout pada suhu

malar.4-1 Proses pemampatan isentropik (S4 = S1)

11

T °C

s

1 2

34

IMBANGAN TENAGA

DANDANG (1-2)

Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, W ≈ 0

Q12 – W12 = H12 + PE12 + KE12

Q12 = H12 = (H2 – H1)

TURBIN (2-3)

Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, Q ≈ 0

Q23 – W23 = H23 + PE23 + KE23

-W23 = H23 = H3 - H2

12

T °C

s

1 2

34

IMBANGAN TENAGA

PEMELUWAPAN (3-4)

Anggapan : PE = 0, KE = 0, W = 0

Q34 – W34 = H34 + PE34 + KE34

Q34 = H34 = (H4 – H3)

PAM AIR SUAPAN (4-1)

Anggapan PE = 0, KE = 0, Q = 0Q41 – W41 = H41 + PE41 + PE41

-W41 = H41 = H1 – H4

13

Kecekapan haba =

atau

Oleh kerana kitar Carnot mempunyai proses yang boleh balik, menurut skala suhu Kelvin:

in

net

QW

in

outth

in

outinth

QQ

QQQ

1

p

s

in

out

TT

QQ

di mana;

Ts= suhu takungan panas

Tp=suhu takungan sejuk

KECEKAPAN HABA CARNOT

14

CONTOH 1.1

Sebuah kitar Carnot beroperasi di antara tekanan 0.03 bar dan 70 bar masing-masing di dalam keadaan wap basah. Stim memasuki dandang pada keadaan cecair tepu meninggalkan dandang di dalam keadaan wap tepu. Tentukan kecekapan haba loji.

15

KITAR CARNOT

Kelemahan pada kitar:Darjah kekeringan pada keluaran turbin begitu rendah dan kakisan pada bilah turbin boleh berlaku dengan cepat.Agak sukar untuk menghasilkan alat yang boleh menukar fasa ke fasa tepu.Terlalu sukar untuk memastikan proses pemeluwapan hingga ke titik 4, dimana titik 1 diperolehi melalui proses pemampatan isentropik.

16

Secara praktik, kitar Carnot tidak digunakan untuk penghasilan kuasa. Ini adalah kerana nisbah kerja, proses pengawalan yang sukar dan jangkahayat yang rendah.

Kelemahan ini menyebabkan wujudnya kitar Rankine

PENGUBAHSUAIAN KITAR RANKINE

a) Proses pemeluwapan dilanjutkan sehingga bendalir menjadi cecair tepu.

b) Mampatan bendalir ke tekanan dandang menggunakan pam air suapan

c) Proses sesuhu di dandang digantikan dengan proses setekanan

T

s

3

1 4T2

T1

2

KITAR RANKINE

17

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA

Proses 1-2:

Proses pemampatan secara seentropi di pam air suapan dari p1 ke p2. (PE=0,KE=0,Q=0)

Selain daripada itu kerja pam juga boleh dikira dengan menggunakan hubungan:

1212121212 KEPEHWQ

1212 HHW

1212 PPVW

18

Proses 2-3:

Proses penambahan haba di dandang pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)

2323232323 KEPEHWQ

2323 HHQ

Proses 3-4:

Proses pengembangan secara seentropi di turbin dari p3 ke p4. (PE=0,KE=0,Q=0)

3434343434 KEPEHWQ

3434 HHW

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA

19

Proses 4-1:

Proses penyingkiran haba di pemeluwap pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)

4141414141 KEPEHWQ

4141 HHQ

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA

20

KECEKAPAN HABA RANKINE

Kecekapan haba rankine, =

in

net

QW

R

23

1243

hhhhhh

R

T

s

3

1 4T2

T1

2

dandang

pamturbinR W

WW

Kecekapan ini memberitahu kita, berapa banyak kerja bersih dapat ditukarkan daripada haba yang dibekalkan ke dalam sistem.

21

Selain daripada kecekapan haba rankine, beberapa kriteria juga perlu dicari bagi menentukan prestasi sesebuah loji kuasa.

1. Penggunaan stim tentu (s.s.c)

Penggunaan stim tentu merupakan nisbah kadalir jisim (kadar penggunaan stim terhadap masa) dengan kuasa keluaran bersih yang dihasilkan

Ia memberitahu kita berapakah kadalir stim yang diperlukan untuk hasilkan 1 unit kuasa

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA

22

Kadalir jisim stim =

skg

ms

Kuasa keluaran =

kgkJ

skg

wm nets x x

Oleh itu, s.s.c=

kgkJ

skg

skg

wmm

nets

s

iaitu =kJkg

wnet

1

Selain daripada unit ini, unit lain yang biasa digunakan ialah:

jamkW

kgskW

kgkJkg

..3600

Maka s.s.c =

jamkW

kgwnet .

3600

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA

23

2. Nisbah kerja

Nisbah ini menunjukkan berapa banyak kerja bersih dapat dihasilkan daripada keseluruhan kerja kasar yang dipunyai oleh sistem.

Nisbah kerja =turbin

pamturbin

W

WW

kasar keluaran kerjabersih keluaran kerja

3. Kecekapan isentropik (seentropi)

Kecekapan isentropik/seentropi terbahagi kepada dua iaitu:

kecekapan seentropi pam

kecekapan seentropi turbin

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA

24

Wujudnya kecekapan ini kerana terdapat ketidakboleh balikan proses pada turbin dan pam air suapan. Ketidakbolehbalikan ini menyebabkan turbin dan pam air suapan tidak lagi beroperasi secara isentropik atau seentropi.

T

s

3

41

2’

4’

2

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA

25

Bagi pam:

12

12

hhhh

pams

'sebenar kerja

seentropi kerja

Bagi turbin:

34

34

hhhh

turbins

'

seentropi kerjasebenar kerja

4. Beban haba pemeluwap (Condenser heat load)

Digunakan untuk membandingkan penyingkiran haba di antara loji kuasa.

Beban haba pemeluwap = s.s.c x haba tersingkir di pemeluwap

kgkJ

xjamkW

kg.

jamkWkJ.

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA

26

CONTOH 1.2

Sebuah kitar loji kuasa stim bekerja dengan tekanan dandang dan pemeluwap 30 bar dan 0.04 bar masing-masing. Kirakan kecekapan, nisbah kerja dan pengunaan stim tentu bagi:

a. Kitar Carnot menggunakan stim basah

b. Kitar Rankine dengan stim tepu kering masuk ke turbin.

c. Kitar Rankine di(b) dengan kecekapan seentropi turbin 80%

d. Sekiranya turbin di bekalkan dengan stim panas lampau pada suhu 450°C, tentukan pengunaan stim tepu (PST)

Bandingkan kecekapan terma, kerja bersih dan nisbah kerja bagi . kitaran (a),(b),© dan (d). Nyatakan ulasan anda

27

1. Salah satu cara untuk meningkatkan kecekapan haba ialah dengan cara meningkatkan Wnet.

2. Bagaimana meningkatkan Wnet?

a. Naikkan Wout

b. Kurangkan Win

3. Penggunaan pemanas lampau merupakan satu cara untuk menaikkan Wout.

4. Ia akan menyebabkan stim yang keluar dari dandang pada keadaan wap tepu dipanaskan di dalam pemanas lampau sehingga stim menjadi wap panas lampau.

5. Ini menyebabkan perbezaan entalpi yang tinggi di turbin dan ini meningkatkan Wout.

KITAR RANKINE DGN PEMANAS LAMPAU

28

T °C

s

2

3

4

15

T °C

s

2

3

41

Kitar Rankine biasa

Kitar Rankine dengan pemanas lampau

29

SUSUNATUR LOJI

KESEIMBANGAN TENAGA

3423 QQQin

3423 HHHHQin

24 HHQin

12 PPVWin

54 HHWout

1

3 4

5

Pam air suapan

Dandang Pemanas lampau

Turbin

Pemeluwap

2

T °C

s

2

3

4

15

30

CONTOH

Sebuah janakuasa stim kitar Rankine berada diantara tekanan 40 bar dan 0.1 bar. Sekirannya suhu keluaran pemanas lampau ialah 520oC, dapatkan kecekapan terma, penggunaan stim tentu dan nisbah kerja. Bandingkan nilai yang diperolehi dengan jawapan daripada contoh sebelumnya. Dapatkan juga beban haba pemeluwap dan beri ulasan. Jika suhu air penyejuk bagi pemeluwap naik 22oC kepada 30oC, dapatkan berapakah jisim air penyejuk untuk satu kg stim

31

PENGARUH SUHU STIM

Lebih tinggi suhu stim yang keluar dari pemanas lampau, lebih kering stim yang memasuki pemeluwap.

T °C

s

2

3'

15'

3

5x x'

32

PENGARUH TEKANAN STIM

Pada suhu yang malar, apabila tekanan dandang ditambah, stim akan menjadi lebih basah kerana x berkurang.

T °C

s

x x'

P1

P1'

P2

33

T °C

s

x x'

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA

1. Kitar rankine dengan pemanas semula merupakan salah satu kitar modifikasi Rankine yang digunakan secara praktikal pada masa ini.

2. Apabila tekanan dandang ditingkatkan stim yang memasuki pemeluwap akan menjadi lebih basah dan akan merosakkan turbin

34

3. Untuk mengatasi masalah ini sistem pemanasan semula digunakan.

4. Penggunan alat ini menyebabkan terdapat dua unit turbin digunakan: turbin tekanan tinggi dan rendah.

5. Penggunaan sistem pemanasan semula adalah untuk memanaskan semula stim yang keluar daripada turbin tekanan tinggi sebelum memasuki turbin tekanan rendah

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA

35

SUSUNATUR LOJI & RAJAH T-S

Dandang

Pemeluwap

TTRPam air suapan

TTT

1

2

3 45

6T °C

s

1

2

3

4

5

6

4'

6'

36

IMBANGAN TENAGA

1. Kerja TTT: (kJ) 43 HHWTTT

2. Kerja TTR: (kJ) 65 HHWTTR

Apabila wujudnya ketidakbolehbalikan:

1. Kerja TTT: (kJ) '43 HHWTTT

2. Kerja TTR: (kJ) '65 HHWTTR

3. Qin= 4523 QQ = (kJ) 4523 HHHH

3. Qin= 4523 QQ = (kJ) '4523 HHHH

4523 QQ

WWW pamTTRTTTR

Kecekapan haba

rankine,

T °C

s

1

2

3

4

5

6

4'

6'

37

CONTOH

• Sebuah janakuasa stim bekerja dengan tekanan stim 42 bar dengan suhu 5000C. Stim ini mengembang secara isentropik di dalam turbin tekanan tinggi sehingga stim menjadi tepu kering. Stim seterusnya dipanaskan semula sehingga ke suhu asal 500oC dan mengembang di dalam turbin tekanan rendah sehingga mencapai tekanan pemeluwap 0.05 bar. Dapatkan kecekapan terma kitar.

38

KITAR JANA SEMULA

Direkabentuk bertujuan mendapatkan kecekapan kitar Carnot sambil mengekalkan nisbah kerja yang tinggi.

Bagaimana?Meninggikan suhu air suapan kepada suhu ketepuan sepadan dengan tekanan dandang sebelum ia memasuki dandang agar mendekati proses pembekalan haba suhu malar.

Jenis

Pemanas terbuka

Pemanas Tertutup

39

SUSUNATUR LOJI DENGAN PEMANAS AIR TERBUKA

Boiler

Condenser

PumpFeed

HeaterPump

5

1

(1-y)kg

2

3

478

(y)kg

6

40

PROSES-PROSES KITAR

Stim di dalam keadaan wap panas lampau dikembangkan di dalam turbin (1 kg)

Pada titik ini sebahagian stim pada suhu tinggi diekstrak ke dalam pemanas suapan sebanyak y kg. Baki (1-y) kg mengembang sehingga ke tekanan pemeluwap.

Stim memasuki pemeluwap

Stim keluar setelah haba disingkarkan dan memasuki pam air suapan tekanan rendah.

Stim masuk ke pemanas suapan dan stim ini dipanaskan secara semulajadi oleh stim . Sim pada titik 6 berubah fasa. Suhu titik 4 meningkat sehingga mencapai suhu tepu. Fasa berubah dari cecair termampat ke cecair tepu.

Jisim stim bercampur menjadi 1 kg semula dan masuk ke pam air suapan tekananan tinggi.

Stim keluar dari pam air suapan dan masuk ke dalam dandang.

Titik 1

Titik 6

Titik 2

Titik 3

Titik 4

Titik 7

Titik 8

Titik 5

41

4

8

1

1 kg

6

3

T

s

(1 – y) kg

1 kg

y kg

(1-y)kg

7

5

2

RAJAH T-S

42

ANALISIS TENAGA

87341 pamIIpamIpam WWyW

2661 1 hhyhhWturbin

81 hhQin

321 hhyQout

Bagaimana mendapatkan nilai suhu di titik 6 dan mendapatkan nilai y ?

225

6

TTT

Dari pemanas terbuka:

746 1 hhyyh

hmhm outoutinin

43

Sebuah kitaran kuasa stim janasemula yang menggunakan pemanas air terbuka, beroperasi di antara tekanan dandang 30 bar dan pemeluwap 0.04 bar. Stim pada keadaan 450°C masuk ke turbin dan berkembang pada tekanan 3 bar. Sebahagian daripada stim di ekstrak kepada pemanas air suapan terbuka (open Feed Water Heater) dengan kecekapan seentropi turbin ialah 0.85%. Abaikan kerja pam dan kirakan;

l. Kecekapan terma loji (Cycle efficiency)

ll.Pengunaan stim tentu (Specific steam

CONTOH 1.3: Kitar Rankine dengan pemanas air suapan terbuka

44

PEMANAS AIR TERTUTUP

Digunakan bagi mengelakkan penggunaan pam air suapan yang banyak.

Sistem ini menggunakan 1 pam air suapan sahaja.

Sistem ini menggunakan dua atau lebih (sehingga lapan) pemanas suapan bergantung kepada rekabentuk.

Selain itu sistem ini juga menggunakan injap pengembangan.

45

Boiler

8

1

(1-y1 – y2 )kg

2

3

456

y1 kg

7

FeedHeater 1

FeedHeater 2

FeedPump

Condenser

y2 kg

9

10

1211

(y1 + y2) kg

SUSUNATUR LOJI DENGAN DUA PEMANAS AIR TERTUTUP

46

• Pada 1, stim dalam keadaan wap panas lampau memasuki turbin (1 kg). Pada 7, sebanyak y1 kg diekstrak. Pada 8, sebanyak y2 kg stim pula diekstrak

• Pada 2, sebanyak (1-y1-y2) kg stim memasuki pemeluwap.

• Di pemanas suapan 1, proses pemindahan haba berlaku. Stim pada 7 sebanyak y1 kg digunakan untuk memanaskan stim pada titik 5 menyebabkan suhu meningkat sehingga titik 6. Stim pada 7 berubah fasa kepada cecair tepu pada titik 11.

• Pada titik 11 pula, stim (y1 kg) seterusnya didikitkan di dalam injap sehingga titik 12 dan memasuki pemanas suapan 2.

• Di pemanas suapan 2, proses pemindahan haba berlaku. Stim pada 8 sebanyak y2 kg dibantu pula dengan stim (y1 kg) yang masuk dari titik 12, digunakan untuk memanaskan stim pada titik 4 menyebabkan suhu meningkat ke titik 5. Stim di 8 dan 12 bergabung dan berubah fasa menjadi cecair tepu di titik 9 (y1+y2)

• Stim pada 9 ini seterusnya didikitkan di dalam injap sehingga titik 10 dan masuk kedalam pemeluwap. Di pemeluwap, stim ini bergabung dengan stim pada 2 dan keluar sebagai cecair tepu pada 3 ( 1 kg).

• Pemanas di dandang berlaku di titik 6 hingga titik 1.

47

RAJAH T-S

4

8

1

1 kg

6

3

T

s

(1 – y1) kg

1 kg

y1 kg

(1 – y1 – y2)kg

7

5

2

y2 kg

12

10

11

9

48

61 hhQin

282187171 11 hhyyhhyhhWout

• Bagaimana mendapatkan nilai y1 dan y2 ?• Dari pemanas suapan 1:

6111571 hhyhhy

hmhm outoutinin

• Dari pemanas suapan 1:

921412182 5 hyyhhhyhy

hmhm outoutinin

ANALISIS TENAGA

49

Sebuah kitaran kuasa stim janasemula yang menggunakan pemanas air tertutup bekerja dengan keadaan wap 40 bar dan 500oC. Tekanan pemeluwap ialah 0.035 bar. Stim dijujuh pada tekanan 10 bar dan 1.1 bar masing-masing. Tentukan –jisim jisim stim ekstrak yang diperlukan bagi pemanas air untuk tiap-tiap 1 kg stim yang keluar dari dandang. Kira juga kecekapan terma dan penggunaan stim tentu loji.

CONTOH 1.4 : Pemanas air tertutup