MESIN UAP

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sejak awal abad 18, tenaga uap telah diterapkan pada berbagai penggunaan praktis. Sejak akhir abad 18, Tenaga uap telah diterapkan berbagai pada penggunaan praktis. Pada awalnya diterapkan untuk reciprocating pompa, tetapi dari mesin pemutaran 1780 (yaitu yang gerakan reciprocating mengkonversi menjadi gerak rotasi) mulai muncul, mengemudi mesin pabrik. Pada awalnya diterapkan untuk reciprocating Pompa, tetapi Dari mesin Pemutaran 1.780 (yaitu mengubah Gerak bolak timbal balik Yang menjadi Gerakan berputar) Mulai muncul, mengemudi mesin pabrik. Pada pergantian abad ke-19, transportasi bertenaga uap pada kedua laut dan darat mulai membuat penampilannya menjadi semakin dominan sebagai abad berlangsung. Pada pergantian abad ke-19, Transportasi bertenaga uap pada kedua laut dan darat Mulai Membuat penampilannya menjadi semakin dominan sebagai abad berlangsung.

Uap mesin dapat dikatakan telah menjadi kekuatan yang bergerak di belakang Revolusi Industri dan melihat penggunaan komersial luas mengemudi mesin di pabrik-pabrik dan pabrik, powering stasiun pompa dan peralatan transportasi, seperti lokomotif kereta api, kapal dan kendaraan jalan. Uap mesin dapat dikatakan telah menjadi kekuatan yang bergerak di belakang revolusi industri dan penggunaan melihat mesin di pabrik-pabrik, powering stasiun pompa transportasi dan peralatan, pembongkaran lokomotif kereta api, dan jalan kendaraan kapal. Penggunaan mereka dalam pertanian menyebabkan peningkatan lahan yang tersedia untuk budidaya.

Sangat mesin daya rendah digunakan untuk model kekuasaan dan aplikasi khusus seperti jam uap. Sangat perlengkapan mesin daya rendah untuk model kekuasaan dan aplikasi khusus pembongkaran uap.

Kehadiran beberapa tahap antara sumber panas dan pemberian kuasa berarti bahwa berada di dekat yang diperoleh dari mesin pembakaran internal, terutama ini telah membuat pesawat uap sangat jarang terjadi. kehadiran beberapa tahap antara sumber panas dan pemberian kuasa berarti bahwa besar besaran selalu senang untuk mendapatkan tenaga berada di dekat yang diperoleh dari mesin pembakaran internal, terutama telah membuat pesawat uap. Sangat jarang terjadi, pertimbangan serupa berarti bahwa untuk kecil dan menengah aplikasi uap sebagian besar telah digantikan oleh mesin pembakaran internal atau motor listrik, yang telah memberikan mesin uap gambar keluar. Pertimbangan serupa berarti bahwa untuk kecil dan menengah uap sebagian telah digantikan besar aplikasi dibuat mesin pembakaran internal atau motor listrik, yang memberikan sebuah keluar mesin gambar telah uap. Namun penting untuk diingat bahwa daya yang disediakan ke jaringan listrik didominasi dihasilkan menggunakan tanaman turbin uap, sehingga secara tidak langsung industri dunia masih tergantung pada tenaga uap. Namun parts untuk diingat bahwa daya yang dipasok ke jaringan listrik didominasi dihasilkan menggunakan uap tanaman turbin, sehingga secara regular tidak langsung dunia industri masih tergantung uap pada tenaga. Keprihatinan terbaru tentang sumber bahan bakar dan pencemaran telah memicu minat baru dalam uap baik sebagai komponen proses kogenerasi dan sebagai penggerak. Keprihatinan terbaru tentang sumber bahan bakar dan pencemaran minat telah memicu keadaan baru uap baik sebagai kogenerasi komponen proses dan sebagai penggerak utama. Hal ini menjadi dikenal sebagai gerakan uap hal menjadi dikenal sebagai kemajuan gerakan uap.

BAB II

ISI

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir.

a. Mesin uap tipe bolak balik

Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai pendidihan Teori kinetik gas).Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerjaterhadap piston -- W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula(2). Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang ada di dalam kondensordipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Maka roda pun berputar secara terus menerus.Putaran roda bisaa digunakan untuk menggerakan sesuatu.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor. Kalor yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energy kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetic translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor (kalor timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jikadigunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar berubah bentuk menjadi energi listrik.

b. Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Perbedaannya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak-balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetic translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar.Pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin.Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah adalah lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat, suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar.

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian,perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap. Apabila kita memperhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetic translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. Apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan adalah suhu uap yang didorong piston, makasem u a energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan adalah tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri).

Dari penjelasan sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika piston bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W =Fs). Jadi hanya sebagian kecil energy kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan.

Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 19.1] dimana fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik.

Di dalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap.

A. Siklus Termodinamika Mesin Uap

Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut

[gambar 19.2 dan 19.3] ;

1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa

2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler

3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap

4-1 Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor.

Fluida kerja berupa air jenuh dari kondensor dikompresi di pompa sampai masuk boiler. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur T1 ke T2 kemudian di dalam boiler air dipanaskan dari T2 ke T3. Sumber energi panas (masuk) berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya Uap panas masuk masuk turbin dan berekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun (T3-T4). Selama proses ekspansi pada turbin terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan putaran poros turbin. Uap yang ke luar dari turbin kemudian dikondensasi (pendinginan) pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun, kemudian siklus berulang lagi.

B. Siklus Aktual dari Siklus Rankine

Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap [gambar 19.4 dan 19.5]. Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler, kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan jatuh yang besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal.

Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses ekspansi uap panas pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang tidak dapat diremehkan, biasanya terjadi di dalam turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.

Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut

[gambar 19.2 dan 19.3] ;

1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa

2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler

3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap

4-1 Proses pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor.

C. Peralatan Sistem Tenaga Uap

C.1. Boiler

Peralatan yang paling penting pada mesin tenaga uap berbentuk bejana tekan berisi fluida air yang dipanasi lansung oleh energi kalor dari proses pembakaran, atau dengan elemen listrik atau energi nuklir. Air pada boiler akan terus menyerap kalor sehingga temperaturnya naik sampi temperatur didih, sehingga terjadi penguapan. Pada boiler yang menggunakan drum sebagai penampung uap, air akan mengalami sirkulasi selama proses pendidihan. Ada dua cara sirkluasi air yaitu sirkulasi alamiah dan sirkulasi paksa. Sirkulasi air alamiah terjadi karena perbedaan massa jenis antara air panas dengan air yang lebih dingin, air panas akan naik ke permukaan drum dan air lebih dingin turun. Sirkulasi air paksa terjadi karena air disirkulasikan dengan bantuan dari pompa. Untuk menghasilkan kapasitas uap yang besar, dibutuhkan jumlah kalor yang besar sehingga sirkulasi air harus bagus sehingga tidak terjadi overheating pada pipa-pipa airnya. [gambar 19.7] Untuk boiler yang tidak menggunakan drum uap akan langsung dikirim ke turbin uap, boiler jenis ini disebut boiler satu laluan.

Ada dua tipe dari boiler yang sudah biasa dipakai yaitu;

a. Firetube Boiler atau Boiler pipa api.

Boiler jenis ini pada bagian tubenya dialiri dengan gas pembakaran dan bagian lainya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan [gambar 16.20]. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melingkupinya. Jumlah pass dari boiler bergantung dari jumlah laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnace dan pipa-pipa api. Laluan gas pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama. Boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri pengolahan mulai skala kecil sampai skala menengah.

b.Watertube boiler atau boiler pipa air.

Boiler jenis ini banyak dipakai untuk kebutuhan uap skala besar [gambar 19.7]. Prinsip kerja dari boiler pipa air berkebalikan dengan pipa api, gas pembakaran dari furnace dilewatkan ke pipa-pipa yang berisi air yang akan diupakan. Ada dua keuntungan menggunakan boiler pipa air daripada pipa api yaitu kapasitas yang besar dapat dicapai dengan memperbanyak jumlah tube atau pipa tanpa bergantung ukuran dari sell dan drum.

Keuntungan kedua adalah sell dan drum uap tidak terkena radiasi langsung dari kalor pembakaran sehingga dimungkinkan dibuat boiler dengan kapasitas dan tekanan uap yang besar. Berbagai jenis bahanbakar dapat dipakai pada boiler tipe ini, variasi ukuran juga tidak menimbulkan masalah.

C.2. Turbin uap

Perlatan yang paling utama dalam sistem tenaga uap adalah turbin uap. Turbin uap berfungsi sebagai tempat untuk mengkonversikan energi yang terkandung dari uap panas dari boiler menjadi energi mekanik poros turbin.Secara umum turbin uap dibagi menjadi dua yaitu turbin uap jenis impuls dan jenis reaksi. Prinsip kerja kedua jenis turbin uap sudah dibahas pada bab turbin. Komponen turbin uap yang paling penting adalah sudu-sudu, karena di sudu-sudu inilah sebagian besar energi uap panas ditransfer menjadi energi mekanik. [gamba 21.12]

C.3. Kondensor

Proses konversi energi dari satu energi menjadi energi lainnya untuk mesin-mesin panas selama transfer energi selalu ada transfer panas pada fluida kerja. Jadi tidak semua energi panas dapat dikonversikan menjadi energi berguna atau dengan kata lain "harus ada yang dibuang ke lingungan" Pada sistem tenaga uap proses transfer panas ke lingkungan terjadi pada kondensor. Sudah jelas fungsi kondensor adalah alat penukar kalor untuk melepaskan panas sisa uap dari turbin. Uap sisi dari turbin uap masih dalam keadaan uap jenuh dengan energi yang sudah berkurang. Di dalam kondensor semua energi dilepaskan ke fluida pendingin

BAB III

KESIMPULAN

Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar. Fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan didalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap.

Didalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik didalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap. Uap panas yang keluar dari turbin yang sudah dipakai sebagain besar energinya dilewatkan melalui eqonomiser. Pada eqonomiser uap sisa diambil energi panasnya untuk memanaskan air yang akan masuk boiler.

Penggunaan turbin uap untuk keperluan industri sudah menjadi pilihan yang paling menguntungkan, dengan efisiensi yang relatif tinggi dan bahan-bakar yang digunakan untuk pembangkitan uap bisa bervariasi. Penggunaan turbin uap yang paling banyak adalah untuk mesin pembangkitan tenaga listrik. Sumber uap panas sebagai fluida yang mempunyai energi potensial tinggi berasal dari sistem pembangkit uap (boiler) atau dari sumber uap panas geotermal.

Adapun definisi turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetikdam energi kinetik lalu diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Poros turbin dihubungkan dengan yang digerakan, yaitu generator atau peralatan mesin lainnya, menggunakan mekanisme transmisi roda gigi. Dari definisi tersebut diatas, turbin uap adalah termasuk mesin rotari. Jadi berbeda dengan motor bakar yang bolak-balik (reciprocating).

Turbin uap adalah mesin rotari yang bekerja karena terjadi perubahan energi kinetik uap menjadi putaran poros turbin. Proses perubahan itu terjadi pada sudu-sudu turbin. Sebagai perbandingan dengan mesin torak yang bekerja karena ekpansi energi panas gas atau uap di dalam silinder yang mendorong torak untuk bergerak bolak balik. Pada dasarnya, prinsip kerja mesin torak dengan turbin uap adalah sama. Fluida gas dengan energi potensial yang besar berekspansi sehingga mempunyai energi kinetik tinggi yang akan medorong torak atau sudu, karena dorongan atau tumbukan tersebut, torak atau sudu kemudian bergerak. Proses tumbukan inilah yang dinamakan dengan Impuls