Turbin uap
merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi
energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis
dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, lansung atau dengan bantuan
roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan.
Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada
berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik
dan untuk transportasi. Pada proses perubahan energi potensial menjadi energi
mekanisnya yaitu dalam bentuk putaran poros dilakukan dengna berbagai cara.
Turbin uap
modern pertama kali dikembangkan oleh Sir Charles Parsons pada tahun 1884. Pada
perkembangannya, turbin uap ini mampu menggantikan peranan dari kerja mesin uap
piston torak. Hal ini disebabkan karena turbin uap memiliki kelebihan berupa
efisiensi termal yang besar dan perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan
yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi,
sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik.
Pada saat ini, sudah hampir 80% pembangkit listrik diseluruh dunia telah
menggunakan turbin uap.
Secara umum
turbin uap dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu turbin impuls, reaksi dan
gabungan. Penggolongan ini berdasarkan cara mendapatkan perubahan energi
potensial menjadi energi kinetik dari semburan uapnya.
Turbin Impuls
VS Turbin Reaksi (untuk lebih jelas, klik pada gambar)
Adapun turbin impuls mengubah
energi potensial uapnya menjadi energi kinetik didalam nosel (yang dibentuk
oleh sudu-sudu diam yang berdekatan). Nosel diarahkan kepada sudu gerak.
Didalam sudu-sudu gerak, energi kinetik diubah menjadi energi mekanis. Energi
potensial uap berupa ekspansi uap, yang diperoleh dari perubahan tekanan awal
hingga tekanan akhirnya di dalam sebuah nosel atau dalam satu grup nosel yang
ditempatkan didepan sudu-sudu cakram yang berputar. Penurunan tekanan uap
didalam nosel diikuti dengan penurunan kandungan kalornya yang terjadi didalam
nosel. Hal ini menyebabkan naiknya kecepatan uap yang keluar dari nosel
(energi kinetik). Kemudian energi kecepatan semburan uap yang keluar dari nosel
yang diarahkan kepada sudu gerak (sudu-sudu cakram yang berputar) memberikan
gaya impuls pada-pada sudu gerak sehingga menyebabkan sudu-sudu gerak berputar
(melakukan kerja mekanis).
Atau bisa
dafahami secara sederhana pronsip kerja dari turbin impuls yaitu turbin yang
proses ekspansi lengkap uapnya hanya terjadi pada kanal diam (nosel) saja, dan
energi kecepatan diubah menjadi kerja mekanis pada sudu-sudu turbin. Kecepatan
uap yang keluar dari turbin jenis ini bisa mencapai 1200/detik. Turbin jenis
ini pertama kali dibuat oleh de Laval, yang mana turbin ini mampu beroperasi
pada putaran 30.000rpm.
Pada
aplikasinya turbin impuls ini dilengkapi dengan roda gigi reduksi untuk
memindahkan momen putar ke mekanisme yang akan digerakkan seperti generator
listrik.
Turbin reaksi
yaitu turbin yang ekspansi uapnya tidak hanya terjadi pada laluan-laluan sudu
pengarah (nosel) yang tetap saja tetapi juga terjadi pada laluan sudu gerak
(sudu-sudu cakram yang berputar), sehingga terjadi penurunan keseluruhan
kandungan kalor pada semua tingkat sehingga terdistribusi secara seragam.
Turbin yang jenis ini umumnyan digunakan untuk kepentingan industri. Kecepatan
uap yang mengalir pada turbin (yang biasanyan nekatingkat) lebih rendah
yaitu sekitar 100 – 200 m/detik.
Pada dasarnya prinsip kerja turbin
uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya 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 kinetik translasi piston diubah menjadi energi
kinetik rotasi roda pemutar. Nah, 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 tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin).
Ingat ya, suhu berbading 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 si uap mendorong bilah ke bawah
sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah:
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. Btw, apabila
dirimu perhatikan 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 kinetik
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. Nah, apabila suhu uap
yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong piston,
maka semua 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 = 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). Pahami perlahan-lahan
ya… Dari penjelasan panjang lebar dan
bertele-tele 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 si piston bergerak kembali ke kiri,
besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil
daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston
bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan
piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap
terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang
dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau
kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk
menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik
akan dibahas secara mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet.
Dunia industri sekarang ini membutuhkan suatu
instalasi pembangkit daya yang berfungsi sebagai sumber tenaga (menggerakkan
generator) dan sebagai penunjang proses produksi yang lain (menggerakkan pompa,
kompressor, baling-baling dll). Instalasi pembangkit daya terdiri dari ketel
uap dan turbin uap, turbin uap adalah mesin konversi energi yang dapat mengubah
energi potensial uap menjadi energi mekanik yang selanjutnya dapat memutar
poros turbin. Energi merupakan kemampuan suatu zat untuk melakukan kerja. Dan Penggunaan
uap sebagai fluida kerja didasarkan atas existensinya sebagai sumber tenaga
yang besar dan belum dapat digeser oleh sumber energi yang lain. Turbin uap
menggunakan fluida kerja berupa uap yang diproduksi oleh ketel uap. Pada Tugas
Akhir ini dianalisa Turbin Uap Curtis Multistage dengan daya 4500 kW yang
digunakan Pabrik Gula Gempolkrep sebagai penggerak generator. Turbin Uap Curtis
merupakan Turbin Impuls dengan kecepatan bertingkat, dimana jumlah tingkatnya
adalah 4 tingkat. Dengan menggunakan analisa thermodinamika, didapat bahwa
kecepatan uap yang melalui nosel mengalami kenaikan sebesar 334,5 m/s,
sedangkan pada sudu gerak kecepatannya mengalami penurunan sebesar 323,63 m/s.
Gaya yang bekerja pada sudu mengalami kenaikan pada tiap tingkatnya, pada
tingkat pertama 439,29 kg dan tingkat keempat 453,47 kg. Kerugian energi
kinetik pada sudu gerak sebesar 20,787 kkal/kg dengan prosentase 14,39 %,
kerugian energi pada nosel, yaitu sebesar 14,181 kkal/kg dengan prosentase
sebesar 9,81 %. Total kerugian energi sebesar 44,453 kkal/kg, sehingga energi
yang dapat dimanfaatkan sebesar 100,047 kkal/kg dari energi yang masuk turbin
sebesar 144,5 kkal/kg. Total efisiensi pada turbin sebesar 69,24 %. Dalam usaha
meningkatkan daya, efisiensi dan umur pemakaian turbin uap Curtis dapat
dilakukan bila kita mengerti dan memiliki pengetahuan yang mendalam tentang
turbin uap curtis, serta perhatian mengenai berbagai hal yang berhubungan
dengan sistem pembangkit uap.
Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial menjadi
energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanik
dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin langsung atau dengan bantuan
elemen lain, dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan.
Tergantung dari jenis mekanisme yang digerakkan turbin uap
dapat digunakan pada berbagai bidang industri, seperti untuk pembangkit
listrik.
Turbin uap merupakan salah satu jenis mesin yang menggunakan
metode external combustion engine (mesin pembakaran luar). Pemanasan fluida
kerja (uap) dilakukan di luar sistem. Prinsip kerja dari suatu instalasi turbin
uap secara umum adalah dimulai dari pemanasan air pada ketel uap. Uap air hasil
pemanasan yang bertemperatur dan bertekanan tinggi selanjutnya digunakan untuk
menggerakkan poros turbin. Uap yang keluar dari turbin selanjutnya dapat
dipanaskan kembali atau langsung disalurkan ke kondensor untuk didinginkan.
Pada kondensor uap berubah kembali menjadi air dengan tekanan dan temperatur
yang telah menurun. Selanjutnya air tersebut dialirkan kembali ke ketal uap
dengan bantuan pompa. Dari penjelasan diatas dapat disimpulkan bahwa turbin uap
adalah mesin pembangkit yang bekerja dengan sistem siklus tertutup.
Komponen Utama Turbin Uap
Secara
umum komponen-komponen utama dari sebuah turbin uap adalah :
- Nosel, sebagai media ekspansi uap yang merubah energi potensial menjadi energi kinetik.
- Sudu, alat yang menerima gaya dari energi kinetik uap melalui nosel.
- Cakram, tempat sudu-sudu dipasang secara radial pada poros.
- Poros, sebagai komponen utama tempat dipasangnya cakram-cakram sepanjang sumbu.
- Bantalan, bagian yang berfungsi uuntuk menyokong kedua ujung poros dan banyak menerima beban.
- Kopling, sebagai penghubung antara mekanisme turbin uap dengan mekanisme yang digerakkan.
Turbin
uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Menurut arah aliran uap
Turbin aksial Fluida kerja mengalir dalam arah
yang sejajar terhadap sumbu turbin Turbin radial Fluida kerja mengalir dalam
arah yang tegak lurus terhadap sumbu turbin.
b. Menurut prinsip aksi uap
Turbin impuls Energi potensial uap diubah menjadi
energi kinetik di dalam nosel. Turbin reaksiEkspansi uap terjadi pada
sudu pengarah dan sudu gerak.
c. Menurut kondisi uap pada sisi masuk
turbin.
Turbin tekanan rendah Memakai uap pada tekanan 1,2 – 2
ata. Turbin tekanan menengah
Memakai uap pada tekanan sampai 40 ata. Turbin tekanan tinggi Memakai uap pada tekanan sampai 170 ata atau lebih. Turbin tekanan super tinggi Memakai uap pada tekanan sampai 235 ata atau lebih.
Memakai uap pada tekanan sampai 40 ata. Turbin tekanan tinggi Memakai uap pada tekanan sampai 170 ata atau lebih. Turbin tekanan super tinggi Memakai uap pada tekanan sampai 235 ata atau lebih.
d. Menurut pemakaiannya di bidang
industry
- Turbin stasioner dengan putaran
yang konstan yang dipakai terutama untuk generator.
- Turbin stasioner dengan putaran yang bervariasi dipakai untuk mengerakkan blower turbo, pompa, dan lain-lain.
- Turbin stasioner dengan putaran yang bervariasi dipakai untuk mengerakkan blower turbo, pompa, dan lain-lain.
- Turbin tidak stasioner dengan
putaran yang bervariasi, biasa digunakan pada kapal dan lokomotif uap.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar