Contoh Soal dan Penyelesaian Termodinamika : Siklus Rankine

Termodinamika adalah salah satu mata kuliah mahasiswa teknik kimia. Ilmu ini wajib dikuasai karena sebagian besar challenge yang ada di dunia real sana adalah terkait fluida yang beroperasi dari satu titik ke titik lain dengan mengalami perubahan temperatur, energi, dan perpindahan panas. Berikut adalah satu contoh soal case real yang cukup menarik, karena soal yang diberikan terkait dengan pembangunan pembangkit listrik tenaga ombak.

Soal ini diberikan kepada saya dan mahasiswa lain secara berkelompok, dan saya memutuskan untuk menshare soal dan penyelesaian soal ini, simply because sharing is caring, daripada file-filenya hanya berdiam di laptop saya saja. Penyelesaian yang diberikan di bawah sebenarnya berlaku umum untuk pembangkit listrik jenis yang lain, artinya konsep siklus rankine yang ada dapat diterapkan namun dengan adjustment di poin-poin tertentu. namun secara umum, equipment yang digunakan untuk pembangkit listrik sama, hanya resourcenya saja yang berbeda.

Soal :

You are working for an engineering consultant company. As your first assignment, you are asked to investigate the feasibility of building on ocean thermal energy power plant to supply electricity to the city of Ambon. The nearby coast has a surface temperature of 27oC and a temperature at a depth of 200 m is 5oC. If the plant should generate 100 MW of power, using a simple vapor power cycle, investigate at least two different working fluids (R12, R134a, R22, or ammonia). What is the required mass flow for each substance ? Compare the efficiencies with the standard Rankine cycle. How and why do they differ ? Assume 1) that you need at least a 3oC difference for reasonable heat transfer rates between the sea water and the working fluid, 2) at the turbine inlet, the working fluid should be saturated vapor, 3) use a turbine outlet temperature such that T is a little bit larger than 8oC and a pressure slightly greater than P-sat at 80oC.

termo

Diketahui :

  • Temperatur air laut di permukaan adalah 27oC
  • Temperatur air laut di kedalaman 200 m adalah 5oC
  • Daya yang di-generate dari konversi usaha yang dihasilkan oleh turbin sebesar 100 MW
  • Perbedaan suhu air laut dan working fluid minimal 3oC
  • Working fluid masuk turbin dalam keadaan uap jenuh
  • Temperatur working fluid setelah keluar turbin harus sedikit lebih besar dari 8oC dan tekanan lebih besar dari P saturatasi suhu 80oC

 

Jawab :

Sebelum menjawab, kita sebagai process engineer harus memiliki beberapa asumsi yang make sense, karena ada beberapa besaran dan nilai yang tidak diinfokan dalam soal.

Asumsi :

  • Working Fluid yang digunakan adalah refrigeran R-134a
  • Temperatur masuk boiler refrigeran R-134a sebesar 24oC (berbeda 3oC dari temperatur air laut di permukaan)
  • Temperatur masuk kondenser refrigeran R-134a sebesar 9oC (berbeda 4oC dari temperatur air laut di kedalaman 200 m)
  • Untuk melakukan perhitungan dalam siklus Rankine, dibutuhkan data efisiensi turbin. Kelompok kami mengasumsikan efisiensi turbin 90%.

 

Ada 4 perbedaan utama yang terlihat jelas pada siklus Carnot dan siklus Rankine. Perbedaan pertama adalah pada siklus Carnot, kondenser hanya akan mengkondensasi working fluid sampai menjadi campuran uap-cair saja, sedangkan pada siklus Rankine kondenser akan mengkondensasi working fluid sampai menjadi cairan jenuh. Perbedaan kedua adalah pompa pada siklus Carnot akan melakukan usaha cukup besar (dibandingkan pompa pada siklus Rankine) untuk menaikkan suhu cukup tinggi sampai menjadi cairan jenuh, sedangkan pompa pada siklus Rankine hanya akan menaikkan suhu sedikit saja sampai menjadi cairan subcooled. Perbedaan ketiga adalah heat exchanger dalam siklus Carnot hanya akan mengubah working fluid dari fase cairan jenuh menjadi fase uap jenuh sedangkan dalam siklus Rankine akan mengubah working fluid dari cairan subcooled menjadi uap jenuh. Perbedaan keempat adalah turbin pada siklus Rankine tidak bekerja dalam keadaan isentropik, sehingga terjadi perubahan entropi antara sebelum dan sesudah masuk turbin. Sedangkan turbin pada siklus Carnot bekerja secara isentropik.

 

Efisiensi yang dihasilkan siklus Carnot akan lebih besar daripada efisiensi siklus Rankine. Hal ini disebabkan oleh siklus Carnot menganggap working fluid dapat masuk ke pompa dalam campuran uap-cair (padahal seharusnya hanya cairan saja) dan juga menganggap working fluid dapat masuk turbin dalam keadaan jenuh (padahal seharusnya superheated steam).

 

Untuk jawaban lebih lengkapnya, silahkan download di :

https://drive.google.com/open?id=0B88AxthgS2SudE5TVy1CU25VNVU

Semoga contoh soal dan penyelesaian di atas dapat bermanfaat bagi yang membutuhkan. Dan semoga semakin banyak process engineer yang menerapkan ilmunya untuk pembangunan di negeri ini. fyi, saya juga memberikan les privat kepada mahasiswa terkait mata kuliah teknik kimia. experience sebelumnya mengajar beberapa mahasiswa reguler, mahasiswa internasional, bahkan mahasiswa di luar jurusan teknik kimia untuk mengajar mata kuliah seperti Termodinamika, Teknik Reaksi Kimia, Energi Berkelanjutan, Perpindahan Kalor, dan lainnya. Simply contact me through email or social media.

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Blog at WordPress.com.

Up ↑

%d bloggers like this: