J5106 - THERMODYNAMIC 2TOPIC 1: ADVANCE POWER PLANTBYISHAK BIN MOHAMED BASIRJABATAN KEJURUTERAAN MEKANIKAL 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:1-2Proses penambahan haba, Qin padasuhumalar2-3Proses pengembangan isentropik (S2 =S 3)3-4Proses penyingkiran haba Qoutpadasuhumalar.4-1Proses pemampatan isentropik (S4 =S 1)Rajah 1.0 dan Rajah 1.2 menunjukkan proses-proses utama bagi kitar Carnot. BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)DandangPemeluwapTurbinPamair suapanTAKUNGAN PANASTAKUNGAN SEJUKQ1-2Q3-4W2-3W4-1TCs1 234Rajah 1.1; Gambarajah T-sRajah 1.2: Gambarajah SkimatikGambarajah T-s dan Skimatik Kitar Carnot. TCs1 234BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)DANDANG (1-2)Anggapan PE 0, KE 0, W 0Q12 W12 = H12 + PE12 + KE12Q12 = H12 = (H2 H1) TURBIN (2-3)Anggapan PE 0, KE 0, Q 0Q23 W23 = H23 + PE23 + KE23-W23 = H23 = H3 - H2Persamaan Keseimbangan Tenaga TCs1 234BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)PEMELUWAPAN (3-4)Anggapan : PE = 0, KE = 0, W = 0Q34 W34 = H34 + PE34 + KE34Q34 = 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 =atauOleh kerana kitar Carnot mempunyai proses yang boleh balik, menurut skala suhu Kelvin:innetQWinoutthinout inthQQQQ Q 1 psinoutTTQQdi mana;Ts= suhu takungan panasTp=suhu takungan sejukBDA 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 RankineKitar Carnot Kecekapan Tinggi tetapi Nisbah Kerja Adalah RendahProses Rumit untuk dilakukan-memberhentikan penyejukan pada keadaan 3 (Stim basah, T2) kerana perlu melakukan proses mampatan secara seentropi kepada keadaan 4Lebih 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 1.3BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant12 345T(K)S(kJ/kgK)123454TurbineCooling WaterCondenserPumpBoilerFuelAirBoundaryFuel GasW12W34Q23Q451Rajah 1.3: Gambarajah T-s dan Skimatik Kitar Rankine UnggulGambarajah T-s dan Skimatik Kitar Rankine Unggul Proses 2-3:Proses penambahan haba di dandang pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)23 23 23 23 23KE PE H W Q + + ( )2 3 23H H Q Proses 1-2:Proses pengembangan secara seentropi di turbin dari p1 ke p2. (PE=0,KE=0,Q=0)12 12 12 12 12KE PE H W Q + + ( )2 1 12H H W PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGABDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGAProses 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:34 34 34 34 34KE PE H W Q + + ( )4 3 34H H W ( )4 3 34P P V W BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGAProses 4-1: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:41 41 41 41 41KE PE H W Q + + ( )1 4 41H H W ( )1 4 41P P V W BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) KECEKAPAN HABA RANKINEinnetQWR( ) ( )( )2 31 2 4 3h hh h h hR Ts314T2T12( ) ( )( )dandangpam turbinRWW W 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 dihasilkanIa memberitahu kita berapakah kadalir stim yang diperlukan untuk hasilkan 1 unit kuasaKRITERIA PRESTASI LOJI KUASABDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) Kadalir jisim stim =

,`

.|skgms Kuasa keluaran = ( ) ,`

.|kgkJskgw mnet sx x Oleh itu, s.s.c=( )]]]]]

,`

.|kgkJskgskgw mmnet ssiaitu =kJkgwnet 1Selain daripada unit ini, unit lain yang biasa digunakan ialah: ( )jam kWkgs kWkgkJkg. .3600 Maka s.s.c =]]]

jam kWkgwnet. 3600KRITERIA PRESTASI LOJI KUASABDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) 2. Nisbah kerjaNisbah ini menunjukkan berapa banyak kerja bersih dapat dihasilkan daripada keseluruhan kerja kasar yang dipunyai oleh sistem. Nisbah kerja =turbinpam turbinWW W kasar keluaran kerjabersih keluaran kerja3. Kecekapan isentropik (seentropi)Kecekapan isentropik/seentropi terbahagi kepada dua iaitu: kecekapan seentropi pam kecekapan seentropi turbinKRITERIA PRESTASI LOJI KUASABDA 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 s341242KRITERIA PRESTASI LOJI KUASABDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)Rajah 1.5: Gambarajah T-s dengan Proses Tak Seentropi Bagi pam:( )1 21 2h hh hpam s 'sebenar kerjaseentropi kerjaBagi turbin:( )3 43 4h hh hturbin s 'seentropi kerjasebenar kerja4. 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 pemeluwapkgkJxjam kWkg.jam kWkJ.KRITERIA PRESTASI LOJI KUASABDA 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 basahb. 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 450C, tentukan pengunaan stim tepu (PST)Bandingkan kecekapan terma, kerja bersih dan nisbah kerja bagi . kitaran (a),(b), dan (d). Nyatakan ulasan andaBDA 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 Woutb. Kurangkan Win3. 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 LAMPAUBDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) SUSUNATUR LOJI DAN GAMBARAJAH T-sKESEIMBANGAN TENAGA' Q Q Q Qin5465 16+ + ( ) ( )3 4 2 3H H H H Qin + ( )2 4H H Qin ( )1 2P P V Win ( )5 4H H Wout 65123 4drumpumpSurge tankreceiverSuperheater TurbineCondenser61 2235T(K)S(kJ/kgK)44BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant) CONTOH 1.3Sebuah 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 stimBDA 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 Cs41'32'12 xx '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 Csx x'P1P1'P2BDA 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.tKecekapan Kitar 100%Tekanan DandangPengunaan Stim tentuKecekapans.s.cRajah: 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.tKecekapan Kitar 100%Suhu Stim CPengunaan Stim tentuKecekapans.s.cRajah : Kesan suhu stim panas Lampau terhadap kecekapan kitar dan p.s.t T Csx x'KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA-TURBIN BERBILANG PERINGKAT1. Kitar rankine dengan pemanas semulamerupakan 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 turbinBDA 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 tinggiiii. Memerlukan dandang berfrenkuensi tinggi dengan pegembangan dalam satu peringkat menghasilkan stim ekzos yang basah (