BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Md Zin IbrahimJabatan Loji dan AutomotifKolej Universiti Teknologi Tun Hussein Onn
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
1.1 Kitar Carnot Salah satu jenis kitar bagi loji kuasa stim ialah kitar
Carnot. Kitar ini diambil atas nama perekanya iaitu Sida Carnot. Kitar ini merupakan kitar unggul (Proses boleh balik) yang paling cekap bagi pengendalian antara had suhu tertentu bagi kitar wap atau gas. 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)
Rajah 1.0 dan Rajah 1.2 menunjukkan proses-proses utama bagi kitar Carnot.
T °C
s
1 2
34
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
DANDANG (1-2)
Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, W ≈ 0Q12 – W12 = H12 + PE12 + KE12
Q12 = H12 = (H2 – H1)
TURBIN (2-3)
Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, Q ≈ 0Q23 – W23 = H23 + PE23 + KE23
-W23 = H23 = H3 - H2
Persamaan Keseimbangan Tenaga
T °C
s
1 2
34
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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
Persamaan Keseimbangan Tenaga
Kecekapan haba =
atau
Oleh kerana kitar Carnot mempunyai proses yang boleh balik, menurut skala suhu Kelvin:
in
net
QW
in
outth
in
outinth
QQQ
1
p
s
in
out
TT
di mana;
Ts= suhu takungan panas
Tp=suhu takungan sejuk
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
KECEKAPAN KITAR CARNOT
CONTOH 1.1Sebuah kitar Carnot beroperasi di antara tekanan 0.03 bar dan 70 bar masing-masing di dalam keadaan wap basah. Stim meninggalkan pam pada keadaan cecair tepu meninggalkan dandang di dalam keadaan wap tepu. Tentukan kecekapan haba loji.
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Kitar Rankine Kitar Carnot Kecekapan Tinggi tetapi Nisbah Kerja
Adalah Rendah Proses Rumit untuk dilakukan-memberhentikan
penyejukan pada keadaan 3 (Stim basah, T2) kerana perlu melakukan proses mampatan secara seentropi kepada keadaan 4
Lebih mudah sekiranya pada keadaan 3 cecair sepenuhnya menerusi pemeluawapan kepada tekanan dandang (T1) pada keadaan 4.
Saiz pam adalah kecil dan kerja pam dapat dikurangkan.
Jumlah haba yang dibekalkan meningkat (Cecair ke wap) kerana T4 adalah lebih rendah daripada suhu tepu pada tekanan dandang.
Pengubahsuaian ini di panggil kitar Rankine seperti Dalam Rajah 1.3
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant
1
23
4
5
T(K)
S(kJ/kgK)
1
2
3
4
5
4
Turbine
Cooling Water
CondenserPump
Boi
ler
Fuel
Air
Boundary
Fuel GasW12
W34Q23
Q45
1
Rajah 1.3: Gambarajah T-s dan Skimatik Kitar Rankine Unggul
Gambarajah T-s dan Skimatik Kitar Rankine Unggul
Proses 2-3:
Proses penyikiran haba di pemeluwap pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)
2323232323 KEPEhWQ
2323 hhQ
Proses 1-2:
Proses pengembangan secara seentropi di turbin dari p1 ke p2. (PE=0,KE=0,Q=0)
1212121212 KEPEhWQ
2112 hhW
PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA
Proses 3-4:
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:
3434343434 KEPEhWQ
4334 hhW
4334 PPvW
BDA 3043: Termodinamik ll
BAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA
Proses 4-5-1:
Proses penambahan haba di dandang pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)
4141414141 KEPEhWQ
)()( 141554451 hhhhhhQ
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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.
=
Kecekapan Haba Rankine,
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Rajah 1.4: Gamabarajah T-s Kitar Rankine Ideal
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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:
jamkWkg
skWkg
kJkg
..3600
Maka s.s.c =
jamkW
kgwnet .
3600
KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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.
*proses pegembangan dan mampatan adalah sebenar.T
s
3
41
2’
4’
2
KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Rajah 1.5: Gambarajah T-s dengan Proses Tak Seentropi
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
CONTOH 1.2Sebuah 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 tentu (PST)
Bandingkan kecekapan terma, kerja bersih dan nisbah kerja bagi . kitaran (a),(b),© dan (d). Nyatakan ulasan anda
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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 DENGAN PEMANAS LAMPAU
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
SUSUNATUR LOJI DAN GAMBARAJAH T-s
KESEIMBANGAN TENAGA
'QQQQin 546516
)'45(561 hhhhhhQin
'43 hhQin
43 PPVWin
'21 hhWout
6
5
1
2
34
drumpump
Surge tank
receiver
Superheater Turbine
Condenser
6
1
2’23
5
T(K)
S(kJ/kgK)
4’
4
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
CONTOH 1.3
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
PENGARUH SUHU STIMLebih tinggi suhu stim yang keluar dari pemanas lampau, lebih kering stim yang memasuki pemeluwap.T °C
s
4
1'
32'
1
2x x '
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
PENGARUH TEKANAN STIMPada suhu yang malar, apabila tekanan dandang ditambah, stim akan menjadi lebih basah kerana x berkurang.
T °C
s
x x'
P1
P1'
P2
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Kesan Tekanan Dandang Terhadap Kecekapan dan Kadar P.s.t
Kec
ekap
an K
itar
100%
Tekanan Dandang
Pen
guna
an S
tim t
entu
Kecekapan
s.s.c
Rajah : Kesan Tekanan Dandang Terhadap Kecekapan dan Kadar P.s.t
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Kesan suhu stim panas Lampau terhadap kecekapan kitar dan p.s.t
Kec
ekap
an K
itar
100%
Suhu Stim °C
Pen
guna
an S
tim t
entu
Kecekapan
s.s.c
Rajah : Kesan suhu stim panas Lampau terhadap kecekapan kitar dan p.s.t
T °C
s
x x'
KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA-TURBIN BERBILANG PERINGKAT
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
3. Untuk mengatasi masalah ini sistem pemanasan semula digunakan.
i. meningkatkan dan memastikan stim kering semasa keluar daripada turbin.
ii. Suhu purata haba yang dibekalkan kepada stim adalah tinggi
iii. Memerlukan dandang berfrenkuensi tinggi dengan pegembangan dalam satu peringkat menghasilkan stim ekzos yang basah (<10%)
iv. Memanas lampaukan stim supaya kebasahan stim <10%. Keadaan memanaskan semula stim dan pegembangan dilakukan dalam dua peringkat turbin.
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-TURBIN BERBILANG PERINGKAT
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
T °C
s
5
6
1
2
3
4
2’
4’
SUSUNATUR LOJI & GAMBARAJAH T-S PEMANASAN SEMULA
BDA 3043: Termodinamik ll
BAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Dandang
PemeluwapPam air suapan
4
TTRTTT
1
2 3
56
Pemanas semula
IMBANGAN TENAGA
1. Kerja TTT: (kJ/kg) '21 hhWTTT
2. Kerja TTR: (kJ/kg) '43 hhWTTR
Apabila wujudnya ketidakbolehbalikan:
1. Kerja TTT: (kJ/kg) '21 hhWTTT
2. Kerja TTR: (kJ/kg) '43 hhWTTR
3. Qout= '34'12 QQ = (kJ/kg) '' 4323 hhhh
3. Qin= '61 QQ = (kJ/kg)'61 hh
'16Q
WWW pamTTRTTTR
Kecekapan haba
rankine,
BDA 3043: Termodinamik ll
BAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
T °C
s
5
6 6’
1
2
3
4
2'
4'
CONTOH 1.4• Sebuah janakuasa stim bekerja dengan tekanan stim
30 bar dan 0.04 bar. Stim masuk ke turbin pada suhu 4500C dan berkembang sehingga tepu kering kepada tekanan 2 bar. Stim kemudian dipanaskan semula sehingga suhu mencapai 400°C sebelum ia masuk ke turbin tekanan rendah. Kecekapan seentropi kedua-dua turbin adalah 0.85%.
• Kirakan;
• i. Kecekapan termal
• Ii.Pengunaan stim tentu.
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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
BDA 3043: Termodinamik ll
BAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
SUSUNATUR LOJI DENGAN PEMANAS AIR TERBUKA
Boiler
Condenser
Pump 1Feed
HeaterPump 2
5
1
(1-y)kg
2
3
478
(y)kg
6
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
oKitar Jana Semula Pemanas air suapan Jenis terbukaMeningkatkan kecekapan kitar Rankine dengan menjujuh sebahagian stimpada tekanan perantaraan semasa pegembangan dan mencampurkan stimdengan air suapan yang telah dipam pada tekanan yang sama di dalam pemanas air suapan terbuka.
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
4
8
1
1 kg
6
3
T
s
(1 – y) kg
1 kg
y kg
(1-y)kg
7
5
2
GAMBARAJAH T-S
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
ANALISIS TENAGA
87341 pamIIpamIpam WWyW
2661 1 hhyhhWturbin
81 hhQin
321 hhyQout
Bagaimana mendapatkan nilai suhu di titik 6 dan mendapatkan nilai y ?
2
256
TTT
Dari pemanas terbuka:
746 1 hhyyh
hmhm outoutinin
FHW
ykgh6
(1-y)kgh41kgh7
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Kitar Rankine yang beroperasi di antara tekanan dandang 30 bar dan pemeluwap 0.04 bar. Stim pada keadaan suhu 450’C masuk ke turbin dan berkembang pada tekanan 3 bar. Sebahagian daripada stim di jujuhkan kepada pemanas air suapan terbuka(Open Feed water heater) dengan kecekapan isentropi turbin ialah 0.85%. Abaikan kerja pam dan kirakani. Kecekapan terma loji ( cycle efficiency)Ii. Pengunaan stim tentu (specific steam comsumtion)
CONTOH 1.5:
Kitar Rankine dengan pemanas air suapan terbuka
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
PEMANAS AIR SUAPAN JENIS TERTUTUP
Digunakan bagi mengelakkan penggunaan pam air suapan yang banyak.
Sistem ini menggunakan 1 pam air suapan sahaja.
Mengantikan sistem pemanas air suapan terbuka kepada jenis tertutup yang berfungsi sebagai perangkap stim. (Injap pendikit)
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
• 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.
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
RAJAH T-S
48
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
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
61 hhQin
282187171 11 hhyyhhyhhWout
• Bagaimana mendapatkan nilai y1 dan y2 ?
• Dari pemanas suapan 1:
6111571 hhyhhy
hmhm outoutinin
• Dari pemanas suapan 2:
921412182 5 hyyhhhyhy
hmhm outoutinin
ANALISIS KESEIMBANGAN TENAGA
1kgxh5FWH1
y1kgxh7
y1kgxh11
1kgxh6
FWH2
y2kgxh8
1kgxh4
(y1+y2)kgxh91kgxh12
1kgxh5
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
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.Anggap proses adalah ideal.
CONTOH 1.6 : Pemanas air tertutup
BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)
Top Related