Analisa Efisiensi Siklus Rankine Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap

(1)

ANALISA TERMODINAMIKA PADA SISTEM PEMBANGKIT

TENAGA UAP DENGAN VARIASI PEMBEBANAN DI UNIT

PEMBANGKIT TENAGA UAP PT. PERTAMINA (PERSERO)

REFINERY UNIT IV CILACAP

SKRIPSI

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:

FAJRIL AR RAHMAN

(100401014)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN


(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ABSTRAK

Analisis termodinamika dilakukan untuk mengetahui efisiensi termal dari siklus Pembangkit Listrik Tenaga Uap. Siklus Rankine merupakan prinsip dasar termodinamika yang lazim digunakan untuk menentukan kinerja dan efisiensi dari suatu pembangkit tenaga.Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap telah dilakukan analisa termodinamika untuk mengetahui efisiensi termal dan penggunaan bahan bakar untuk kondisi pembebanan yang berbeda. Analisa termodinamika dilakukan dengan cara menentukan kondisi fluida pada komponen-komponen utama Sistem Pembangkit Tenaga Uap. Kemudian ditentukan efisiensi termal pada siklus dan jumlah penggunaan bahan bakarnya. Pada pembebanan 15 MW memiliki efisiensi sebesar 24,44 % dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 5,589 ton/hr. Pada pembebanan 16 MW memiliki efisiensi sebesar 24,53 % dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 5,893 ton/hr. Pada pembebanan 17 MW memiliki efisiensi sebesar 24,62 %dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 6,319 ton/hr. Dan pada pembebanan 18 MW memiliki efisiensi sebesar 24,67 %dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 6,568 ton/hr.


(7)

ABSTRACT

Thermodynamic analysis was conducted to determine the thermal efficiency of the cycle Steam Power Plant. Rankine cycle is a thermodynamic basic principles that are commonly used to determine the performance and efficiency of a power plant. On Steam Generating System PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap thermodynamic analysis has been conducted to determine the thermal efficiency and fuel use for different loading conditions. Thermodynamic analysis was done by determining the condition of the fluid on the main components of Steam Power Generating System. Then determined the thermal efficiency of the cycle and the amount of fuel consumption. On loading of 15 MW has an efficiency of 24.44% with the use of fuel oil fuel 5,589 tons / hr. On loading of 16 MW has an efficiency of 24.53% with the use of fuel oil fuel 5,893 ton / hr. At 17 MW load has an efficiency of 24.62% with the use of fuel oil fuel 6,319 ton / hr. And the imposition of 18 MW has an efficiency of 24.67% with the use of fuel oil fuel 6,568 ton / hr.


(8)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT, yang selama ini telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Penelitian Tugas Akhir di PT.Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap.

Penelitian ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Analisa Efisiensi Siklus Rankine Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap”

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama pelaksanaan Penelitian Tugas Akhir maupun dalam penyusunan laporan. Untuk itu, melalui pengantar ini penulis menyampaikan terima kasih kepada :

1. Orang tua dan saudara-saudara tercinta yang selalu memberikan doa dan semangat kepada penulis

2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT selaku Dosen Pembimbing penulis di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

4. Bapak Abdi Restu Daud, S.E yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melaksanakan penelitian ini di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap

5. Bapak Fredy Prijasetia, S.T selaku Section Head di Utilities Complex yang telah menerikan tempat kepada penulis untuk melaksanakan penelitian ini.

6. Mas M. Tofik Ariyadi selaku pembimbing lapangan penulis yang membantu penulis dalam peninjauan ke lapangan.


(9)

7. Mas Edward Natal H.S yang memberikan data-data yang penulis butuhkan dalam penelitian ini.

8. Semua pihak yang telah memberikan bantuannya kepada penulis selama pelaksanaa penelitian dan penyusunan laporan ini.

Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sempurna, baik segi teknik maupun segi materi. Oleh sebab itu, penulis juga mengharapkan kritik dan saran membangun demi terciptanya laporan yang lebih baik di masa yang akan datang. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya.

Medan, April 2015


(10)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR SIMBOL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Dasar Termodinamika ... 4

2.1.1 Siklus Termodinamika ... 4

2.1.2 Properti dan Proses ... 4

2.1.3 Sifat Ekstensif dan Intensif ... 5

2.1.4 Volume Spesifik ... 5

2.1.5 Tekanan ... 5

2.1.6Temperatur ... 7

2.1.7Fase ... 7

2.1.8Sistem ... 7

2.1.9Batas Sistem ... 8


(11)

2.1.11Zat Murni ... 9

2.1.12 Hukum Pertama Termodinamika ... 9

2.2 Perubahan Fase pada Zat Murni ... 9

2.2.1 Cair Tekan (Compreesed Liquid) ... 10

2.2.2 Cair Jenuh (Saturation Liquid) ... 10

2.2.3 Campuran Air-Uap (Liquid-Vapor Mixture) ... 11

2.2.4 Uap Jenuh (Saturated Vapor) ... 12

2.2.5 Uap Panas Lanjut (Superheated Vapor) ... 12

2.3Diagram Perubahan Fase ... 13

2.3.1 Diagram T-v ... 13

2.3.2 Diagram P-T ... 14

2.3.3 Diagram P-v ... 15

2.4Tabel Properti ... 15

2.4.1 Entalpi ... 16

2.4.2 Keadaan cair jenuh dan uap jenuh ... 16

2.4.3Keadaan Campuran Air dan Uap ... 17

2.4.4Keadaan uap panas lanjut ... 19

2.4.5Keadaan Cair Tekan ... 19

2.5 Analisis Energi ... 19

2.5.1 Bentuk Energi ... 20

2.5.2 Kerja Aliran ... 20

2.5.3 Total Energi pada Fluida yang Mengalir ... 21

2.5.4 Analisis Energi pada Sistem Aliran Steady ... 21

2.6 Entropi ... 24

2.6.1 Definisi Entropi ... 24

2.6.2 Penggunaan Persamaan T dS ... 25

2.6.3 Penggunaan Diagram Entropi ... 26

2.7Pembangkit Listrik Tenaga Uap ... 29

2.8Siklus Ideal Turbin Uap ... 29


(12)

2.10 Siklus Rankine Regeneratif Ideal ... 32

2.10.1 Open Feedwater Heaters... 32

2.10.2Closed Feedwater Heaters ... 33

2.11Analisis Energi Pada Sistem Pembangkit Listrik ... 34

2.11Analisis Overall Efficiency ... 36

2.13 Analisis Jumlah Penggunaan Bahan Bakar ... 37

2.14 REFPROP ... 38

2.15 SteamTab ... 41

2.16 Computer Aided Thermodynamic Tables 2(CATT2) ... 43

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 47

3.1Tempat dan Waktu Penelitian ... 47

3.1.1 Tempat Penelitian ... 47

3.1.2Waktu Penelitian ... 47

3.2 Alat dan Bahan ... 47

3.2.1 Alat ... 47

3.2.2 Bahan ... 52

3.3 Prosedur Penelitian... 52

3.4 Analisa Data ... 57

3.5 Skema Alur Pengerjaan Skripsi ... 59

BAB IV ANALISIS DATA ... 60

4.1 Siklus Rankine Aktual ... 60

4.2Perhitungan Kerugian Siklus Rankine Aktual ... 65

4.2.1 Perhitungan Beban 15 MW ... 65

4.2.2 Perhitungan Beban 16 MW ... 73

4.2.3 Perhitungan Beban 17 MW ... 81

4.2.4 Perhitungan Beban 18 MW ... 89

4.3 Hubungan Antara Pembebanan Terhadap Efisiensi Termal Sistem Pembangkit Tenaga Uap ... 98

4.4 Hubungan Antara Jumlah Penggunaan Bahan Bakar Terhadap Pembebanan ... 100

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 103

5.1 Kesimpulan ... 103

5.2 Saran ... 103

DAFTAR PUSTAKA ... 105


(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1Data Pengamatan Boiler ... 53

Tabel 3.2Data Pengamatan Turbin Uap ... 54

Tabel 3.3Data Pengamatan Kondenser ... 54

Tabel 3.4Data Pengamatan Pompa BFW... 55

Tabel 3.5Data Pengamatan BFW Tank ... 55

Tabel 3.6Data Pengamatan Pompa Deaerator... 56

Tabel 3.7Data Pengamatan Deaerator ... 56

Tabel 3.8Data Pengamatan Pompa Boiler ... 57

Tabel 3.9Data Pengamatan Economizer ... 57

Tabel 4.1Hasil Perhitungan Efisiensi Termal ... 98


(14)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Hubungan antara tekanan absolut, tekanan

atmosfer Tekanan gauge, dan tekanan vakum ... 6

Gambar 2.2. Sistem termodinamika... 8

Gambar 2.3 Konservasi energi ... 9

Gambar 2.4 Air pada fase cair tekan (compressed liquid) ... 10

Gambar 2.5 Air pada fase cair jenuh (saturated liquid) ... 11

Gambar 2.6 Campuran air dan uap ... 11

Gambar 2.7 Uap jenuh (saturated vapor) ... 12

Gambar 2.8 Uap panas lanjut (superheated vapor) ... 12

Gambar 2.9 Diagram T-v pemanasan air pada tekanan konstan...13

Gambar 2.10 Diagram T-v untuk proses perubahan fase pada beberapa variasi tekanan ... 14

Gambar 2.11 Diagram P-T ... 15

Gambar 2.12 Diagram P-V ... 15

Gambar 2.13 Contoh Tabel A-4... 16

Gambar 2.14 Kualitas uap air ... 18

Gambar 2.15 Skema untuk kerja aliran... 21

Gambar 2.16 Massa dan energi didalam volume atur pada kondisi aliran steady ... 22

Gambar 2.17 Diagram temperatur-entropi ... 27

Gambar 2.18 Diagram entalpi-entropi ... 27

Gambar 2.19 Skema pembangkit listrik tenaga uap ... 28

Gambar 2.20 Siklus rankine sederhana ... 29


(15)

Gambar 2.22 Siklus Rankine Regeneratif dengan

Open Feedwater Heater ... 32

Gambar 2.23 Siklus Rankine Regeneratif dengan Closed Feedwater Heater ... 34

Gambar 2.24 REFPROP ... 38

Gambar 2.25 Menu Substance ... 39

Gambar 2.26 Saturation table of water... 39

Gambar 2.27 Diagram T-S air ... 40

Gambar 2.28 ChemicaLogic SteamTab Companion ... 42

Gambar 2.29 Fungsi untuk fase uap,cair dan campuran ... 43

Gambar 2.30 Fase Superheated dan Subcooled ... 43

Gambar 2.31 Fase uap konstan ... 44

Gambar 2.32 Computer Aided Thermodynamic Tables 2(CATT2) ... 44

Gambar 2.33 Tabel General Properties ... 45

Gambar 2.34 Diagram T-S ... 45

Gambar 2.35 Tampilan data CATT2 ... 46

Gambar 2.36 Fluida pada CATT2 ... 46

Gambar 3.1Manometer ... 47

Gambar 3.2 Termometer ... 48

Gambar 3.3 Orificemeter ... 48

Gambar 3.5 Laptop ... 49

Gambar 3.6Screenshoot Software Chemicalogic Steam Tab ... 50

Gambar 3.7Screenshoot Software Computer Aided Thermodynamic Table ... 51

Gambar 3.8 Screenshot Software Refprop ... 51

Gambar 3.9Alur pengerjaan skripsi ... 59

Gambar 4.1.Skema Sistem Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap ... 61


(16)

Gambar 4.2. Diagram T-S siklus Rankine

Sistem Pembangkit Tenaga Uap ... 62

Gambar 4.3. Grafik Hubungan Pembebanan dengan Efisiensi Termal ... 98

Gambar 4.4. Grafik Hubungan Kerugian q in dengan Pembebanan ... 99

Gambar 4.5. Grafik Hubungan Daya Turbin dengan Efisiensi Termal ... 100

Gambar 4.6. Grafik Hubungan Jumlah Bahan Bakar terhadap Beban ... 101


(17)

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL ARTI SATUAN

P Tekanan kg/cm2

T Suhu oC

h Entalpi kj/kg

s Entropi kJ/(���� )

Flow rate ton/hr

ρ Massa jenis kg/m3

v volume specific m3/kg

Cp Specific heat kJ/kg.C

�����,�� Kerja pompa kJ/hr

��� Panas masuk kJ/hr

���� Panas keluar kJ/hr

��ℎ Efisiensi termal %

Q Panas yang dibutuhkan kJ/kg

LHV Low Heat Value kJ/kg

g Percepatan grafitasi m/s2


(18)

ABSTRAK

Analisis termodinamika dilakukan untuk mengetahui efisiensi termal dari siklus Pembangkit Listrik Tenaga Uap. Siklus Rankine merupakan prinsip dasar termodinamika yang lazim digunakan untuk menentukan kinerja dan efisiensi dari suatu pembangkit tenaga.Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap telah dilakukan analisa termodinamika untuk mengetahui efisiensi termal dan penggunaan bahan bakar untuk kondisi pembebanan yang berbeda. Analisa termodinamika dilakukan dengan cara menentukan kondisi fluida pada komponen-komponen utama Sistem Pembangkit Tenaga Uap. Kemudian ditentukan efisiensi termal pada siklus dan jumlah penggunaan bahan bakarnya. Pada pembebanan 15 MW memiliki efisiensi sebesar 24,44 % dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 5,589 ton/hr. Pada pembebanan 16 MW memiliki efisiensi sebesar 24,53 % dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 5,893 ton/hr. Pada pembebanan 17 MW memiliki efisiensi sebesar 24,62 %dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 6,319 ton/hr. Dan pada pembebanan 18 MW memiliki efisiensi sebesar 24,67 %dengan penggunaan bahan bakar fuel oil 6,568 ton/hr.


(19)

ABSTRACT

Thermodynamic analysis was conducted to determine the thermal efficiency of the cycle Steam Power Plant. Rankine cycle is a thermodynamic basic principles that are commonly used to determine the performance and efficiency of a power plant. On Steam Generating System PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap thermodynamic analysis has been conducted to determine the thermal efficiency and fuel use for different loading conditions. Thermodynamic analysis was done by determining the condition of the fluid on the main components of Steam Power Generating System. Then determined the thermal efficiency of the cycle and the amount of fuel consumption. On loading of 15 MW has an efficiency of 24.44% with the use of fuel oil fuel 5,589 tons / hr. On loading of 16 MW has an efficiency of 24.53% with the use of fuel oil fuel 5,893 ton / hr. At 17 MW load has an efficiency of 24.62% with the use of fuel oil fuel 6,319 ton / hr. And the imposition of 18 MW has an efficiency of 24.67% with the use of fuel oil fuel 6,568 ton / hr.


(20)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi listrik merupakan suatu kebutuhan pokok bagi umat manusia saat ini. Energi listrik telah digunakan manusia untuk menunjang kehidupan mereka di segala aspek kehidupan mereka. Dapat dikatakan bahwa energi listrik sudah menjadi syarat yang harus dipenuhi dalam kehiupan dan perkembangan hidup manusia. Energi ini dapat diciptakan dengan berbagai cara diantaranya adalah dengan mengubah energi fosil, energi surya, energi panas menjadi energi listrik tersebut.

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan energi panas dari uap/steam untuk memutar turbin sehingga dapat digunakan untuk membangkitkan energi listrik melalui generator. Uap yang digunakan ini berasal dari perubahan fase air yang berada pada boiler karena mendapatkan energi panas dari hasil pembakaran bahan bakar. Secara garis besar sistem pembangkit listrik tenaga uap terdiri dari beberapa peralatan utama: pompa, boiler, turbin, generator, dan kondenser.. Agar dapat memiliki kinerja yang tinggi, setiap komponen-komponennya harus mempunyai efisiensi yang tinggi. Efisiensi yang tinggi juga diperlukan untuk menghemat bahan bakar. Maka dari itu diperlukan analisa termodinamika pada siklus SPTU untuk mengetahui efisiensi pada siklus dan pada komponen utamanya.

PT Pertamina (Persero) Cilacap merupakan kilang minyak unit pengolahan (refinery). Kilang minyak ini memiliki Sistem Pembangkit Tenaga Uap (SPTU) sebagai sumber energi utama untuk memenuhi kebutuhan energi listrik di tempat tersebut. SPTU ini dioperasikan sesuai kebutuhan energy listrik dari kliang minyak. Pembebanan yang diberikan pada SPTU bervariasi setiap saat sesuai dengan kebutuhan. Untuk mengetahui pengaruh pembebanan yang bervariasi terhadap efisiensi dari SPTU tersebut maka dilakukan analisa termodinamika. Analisa dilakukan pada saat pembebanan 15 MW, 16 MW, 17 MW dan 18 MW. Beban ini dipilih karena SPTU sering dioperasikan pada saat pembebanan tersebut.

1.2 Tujuan Penelitian


(21)

1.Untuk mengetahui efisiensi termal siklus pada pembebanan 15 MW, 16 MW, 17 MW, 18 MW

2.Untuk mengetahui pengaruh jumlah penggunaan bahan bakar boiler pada pembebanan 15 MW,16 MW, 17 MW,18 MW

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian adalah sebagai berikut :

1. Penelitian dilakukan di Sistem Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero)

Refinery Unit Cilacap IV.

2. Komponen yang diteliti komponen-komponen utama Sistem Pembangkit Tenaga Uap pada PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit Cilacap IV.

3. Pengambilan data di lakukan pada saat pembebanan 15 MW, 16 MW, 17 MW, 18 MW.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini bagi penulis adalah menambah ilmu dan pengalaman penulis dalam menganalisa efisiensi dari Sistem Pembangit Tenaga Uap. Bagi perusahaan (PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit Cilacap IV), penelitian ini dapat dijadikan acuan atau sumber informasi untuk meningkatkan efisiensi siklus SPTU.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah : BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : Latar belakang, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian , dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi metode perancangan serta langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur.


(22)

Adalah hasil dan pembahasan yang berisi tentang hasil pengujian eksperimental BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap permasalahan dan saran hasil penelitian untuk generasi berikutnya


(23)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Dasar Termodinamika 2.1.1. Siklus Termodinamika

Siklus termodinamika merupakan suatu urutan proses yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama. Pada akhir siklus, semua sifat akanmemiliki nilai yang sama dengan kondisi awal. Dengan demikian maka dalam suatu siklus sistem tidak akan mengalami perubahannetto. Contohnyauap yang bersirkulasi dalam suatu sistem pembangkit tenaga listrik membentuk sebuah siklus.

Pada suatu keadaan tertentu, setiap sifat memiliki nilai tertentu yang dapat ditentukan tanpa perlumengetahui bagaimana sistem dapat mencapai keadaan tersebut. Dengan demikian perubahan nilai suatu sifat pada sistem akan berpindah dari suatu keadaan ke keadaan lain sangat ditentukan oleh keadaan awal dan akhir sertatidakdipengaruhi oleh langkah perubahanyangterjadi. Perubahan tidak dipengaruhi olehsejarahdanrincian proses. Sebaliknya apabila nilai suatu besaran tidak dipengaruhi oleh prosesantara dua keadaan, maka besaran tersebut merupakan perubahan sifat.

2.1.2. Properti dan Proses

Properti suatu bahan adalah jumlah kuantitatif yangdapatdiukur atau di hitung untuk mengetahui kondisi keadaan tertentu pada bahan. Properti ini misalnya massa, tekanan, temperatur, volume, entalpi, dan entropi.

Proses adalah sebuah hal perlakuan yang terjadi untuk mengubah properti. Pada termodinamika proses biasanya melibatkan transfer energi seperti : pemanasan, pendinginan, penekanan (kompresi), pengembangan (ekspansi), pengadukan, atau pemompaan.

Proses-proses yangmungkindigunakan untukmerubahproperti adalah : tekanan konstan (isobar), volume konstan (isovolum),temperaturekonstan (isotermal), adiabatic (tidakada aliran panas), isentalpi (entalpi tetap), dan isentropi (entropi tetap). Proses termodinamika biasanya digambarkan dalam sistem koordinat duaproperti,yaitu V diagram, P-v diagram, atau T-S diagram.


(24)

Proses yang berjalan pada satujenis properti tetap , disebut proses iso- diikuti nama properti-nya, misalnya proses isobar (tekanan konstan), proses isovolum (volume konstan), proses isotermal (temperatur konstan) dan lain-lain.

Suatu sistem disebut menjalani suatusiklus, apabila sistem tersebut menjalani rangkaianbeberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya.

2.1.3. Sifat Ekstensif Dan Intensif

Sifat termodinamika terbagi menjadi dua bagian, yaitu sifat ekstensif dan sifat intensif. Sifat ekstensif yaitu jika nilai dari keseluruhan sistem merupakan penjumlahan dari nilai dari setiap bagian yang menyusun sistem tersebut, contohnya yaitu massa, volume, dan energi. Sifat ekstensif dipengaruhiolehukuransistem dandapat berubah menurut waktu. Sifat intensif tidakdapat diakumulasikanseperti pada sifat ekstensif. Nilai sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuransistem dan dapat bervariasi disetiap bagian sistem pada waktu yang

berbeda.Dengandemikian maka sifat intensif merupakanfungsi posisi

danwaktusedangkansifatekstensif umumnya hanya merupakan fungsi waktu.Contohdari sifat ekstensif yaitu volume spesifik, tekanan, dan temperature.

2.1.4. Volumespesifik

Volume spesifik (υ) adalah jumlah volume dalam satu kilogram massa suatu zat (m3/kg) dan merupakan kebalikan dari densitas � dengan satuan SI yaitu kg/m3.

2.1.5. Tekanan

Tekanan adalah gaya normal (F) tegaklurus yangdiberikan oleh suatufluida persatuan luas benda (A) yang terkena gaya tersebut.

Р

=

� �

�2

...(2.1)

Tekanan sebenarnya atau aktual pada suatu posisi tertentu disebut dengan tekanan absolut sedangka tekanan yang dibaca oleh suatu alat ukur disebut dengan tekanan gauge atau tekanan vakum. Hubungan antara tekanan absolut. Tekanan atmosfer, tekanan gauge, dan tekanan vakum ditunjukkan pada gambar 2.1


(25)

Gambar 2.1. Hubungan antara tekanan absolut, tekanan atmosfer, tekanan gauge, dan tekanan vakum

(Michael J. Moran dan Howard N, Saphiro, 2006)

Dalam Termodinamika, tekanan p umumnya dinyatakan dalam harga absolut (tekanan absolut/mutlak), maka dalam diktat ini simbol p menyatakan tekanan absolut dari sistem/zat. Tekanan absolut tergantung pada tekanan pengukuran sistem, jadi :

1. Bilatekanan pengukuran( pressure gauge) sistem di bawah tekanan atmosfir maka :

Tek absolut = Tek atmosfir - Tek pengukuran

��������� = ���� − ������...(2.2) 2. Bila tekanan pengukuran (pressure gauge) sistem diatas tekanan atmosfir maka :

Tek absolut = Tek atmosfir +Tek pengukuran

��������� = ���� + ������...(2.3)

2.1.6. Temperatur

Temperatur adalah ukuran panas-dinginnya dari suatu zat. Panas dinginnya suatuzat berkaitandengan energi termal yangterkandungdalam zat tersebut. Makin besar energi termalnya, makin besar temperaturnya.


(26)

Temperatur dari suatu benda menyatakan keadaan termal benda tersebut dan kemampuan benda untukbertukar energi dengan benda lainyangbersentuhan dengan benda tersebut.

Benda yang bersuhu tinggi akan memberikan energinya kepada benda yang bersuhu rendah. Satuan untuktemperatur adalah Celcius (C) dan dapat diukur dengan menggunakan termometer.

Temperatur absolut (T) adalah derajat diatas temperatur nol absolut yang dinyatakan dengan satuan Kelvin (K).

T = t°C+273...(2.3) Konversi satuan pada temperatur

°F = 32 + (9/5 . °C)...(2.4)

2.1.7. Fase

Fase (phase) menggambarkan sejumlahmateri yanghomogen dalam komposisi kimia maupun struktur fisiknya.Homogenitas dalam struktur fisik berarti bahwa materi tersebut seluruhnya berada dalam kondisi padat, cair, uap atau gas.

2.1.8. Sistem

Sistem adalah suatumassa ataudaerah yang dipilih, untukdijadikan obyek analisis. Atau sistem adalah segala sesuatu yang ingin dipelajari.

Sistem Termodinamika ada tiga macam, yaitu : 1. Sistem tertutup

Dalam sistem tertutup massa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada massa keluar dari sistem ataumasukkedalamsistem,tetapivolumenya bisa berubah.Yang dapat keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja. Atau dengan kata lain sistem tertutup berisi materi yang sama, dimana perpindahanmassa melalui batas sistem tidak dimungkinkan.

Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam massa udara didalam balon.


(27)

2. Sistem terbuka

Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem ataumasuk kedalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesin-mesin konversi energi adalah sistem terbuka.

Sistem mesinmotor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahanbakar danudara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem termodinamika terbuka, karena secara simultan ada energi dan massa keluarmasuk sistem tersebut.

3. Sistem terisolasi

Tidak ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungan. Atau dengan kata lain sistem tidak terpengaruh sama sekali oleh lingkungan Misalnya: Tabung gas yang terisolasi.

2.1.9. BatasSistem

Batas sistem adalah batas antara sistem dengan lingkungannya. Dalamaplikasinya batas sistem merupakan bagian dari sistem maupunlingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak.

2.1.10 . Lingkungan

Lingkungan adalah segala sesuatu yang berada di luar sistem.

Gambar 2.2. Sistem termodinamika

2.1.11. Zat Murni

Zat murni (pure subtance) adalah sesuatu yang memiliki komposisi kimia yang sama dan tetap. Zat murni dapat mucul dalam keadaan satu fase atau lebih, namun komposisi kimianya harus sama dan tetap dalam setiap fasenya. Contohnya jika cairan air dan uap air membentuk sistem berfase dua maka sistem tersebut dapat dianggap sebagai zat murni karena setiap fase memiliki komposisi kimia yang sama.


(28)

2.1.12. Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika dikenal dengan prinsipkonservasi energi yang menyatakan bahwa energi tidakdapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari bentuk satu kebentuk yang lainnya.

Dari gambar 2.3 kita dapatmelihat bentukperubahan dari energi dimana energi potensial sebagian akan berubah menjadi energi kinetik. Pada saat sebuah batu dengan massa m akan dijatuhkan dari suatu tebing, benda tersebut memilikienergi potensial sebesar 10 kJ dan sesaat setelah dijatuhkan hingga mencapaisisa energinya yaitu sebesar 3 kJ berubah menjadi energi kinetik.

Gambar 2.3 Konservasi energi

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles,1994)

2.2 Perubahan Fase pada Zat Murni

Air dapat berada pada keadaan campuran antara cair dan uap, contohnya yaitu pada boiler dan kondenser dari suatu sistem pembangkit listrik tenaga uap. Dibawah ini akan dijelaskan secara lebih rinci mengenai perubahan fase pada zat murni, contohnya air.

2.2.1 Cair Tekan (Compressed Liqud)

Fluida air pada 20 oC dan tekanan 1 atm. Pada kondisi ini, air berada pada fase cair tekan karena temperatur dari air tersebut masihdibawah temperatur saturasi air pada saat tekanan 1 atm. Kemudian kalor mulaiditambahkan kedalam air sehingga terjadi kenaikkan temperatur. Seiringdengan kenaikan temperatur tersebut maka air secara perlahan berekspansi dan volume spesifiknya meningkat. Karena ekspansi ini maka piston juga secara perlahan mulai bergeraknaik. Tekanan didalam silinder konstan selama proses karena didasarkan pada tekanan atmosfer dari luar dan berat dari torak.


(29)

Gambar 2.4. Air pada fase cair tekan (compressed liquid)

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

2.2.2 Cair Jenuh (Saturation Liquid)

Dengan semakinbertambahnya jumlah kalor yang dimasukkan kedalam silinder maka temperatur akan naik hingga mencapai 100 oC. Pada titik ini airmasih dalam fase cair, tetapi sedikit saja ada penambahan kalor maka sebagian dari air tersebut akan berubah menjadi uap. Kondisi ini disebut dengan cair jenuh (saturation liquid). Kondisi cair jenuh (saturation liquid)

dapat ditunjukkan seperti digambarkan pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Air pada fase cair jenuh (saturated liquid)


(30)

2.2.3. Campuran Air-Uap (Liquid-Vapor Mixture)

Saat pendidihan berlangsung, tidakterjadi kenaikan temperatur sampai cairanseluruhnya berubahmenjadi uap. Temperatur akan tetapkonstan selama proses perubahan fase jika temperatur juga dijaga konstan. Pada proses ini volume fluida didalam silinder meningkat karena perubahan fase yangterjadi, volume spesifikuaplebihbesar daripada cairan. Sehingga menyebabkan torak terdorong keatas.

Gambar 2.6. Campuran air dan uap (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

2.2.4 Uap jenuh (Saturated vapor)

Jika kalorterus ditambahkan,maka prosespenguapan akan terus berlangsung sampai seluruh cairan berubah menjadi uap, seperti ditunjukkan pada gambar 2.7. Sedangkan jika sedikit saja terjadi pengurangan kalor maka akan menyebabkan uap terkondensasi.

.

Gambar 2.7. Uap jenuh (saturated vapor)


(31)

2.2.5. Uap Panas Lanjut ( Superheated Vapor)

Setelah fluida didalam silinder dalam kondisi uap jenuh maka jika kalor kembali ditambahkan dan tekanan dijaga konstan pada 1 atm, temperatur uap akan meningkat seperti ditunjukkan pada gambar2.8. Kondisi tersebut dinamakan uap panas lanjut ( superheatedvapor) karena temperatur uap didalam silinder diatas temperatur saturasi dari uap pada tekanan 1 atm yaitu 100oC.

Gambar 2.8 Uap panas lanjut (superheated vapor)

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Proses diatas digambarkan pada suatudiagramT-v seperti terlihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.9. Diagram T-v pemanasan air pada tekanan konstan (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)


(32)

2.3 Diagram Proses Perubahan Fase

Variasi properti selama proses perubahan fase akan lebih jelas jika menggunakan diagram properti, dibawah ini ada beberapa diagram yang menjelaskan perubahan fase tersebut diantaranya diagram T-v, P-v, dan P-T untuk air.

2.3.1 Diagram T-v

Proses perubahan fase pada air pada tekanan 1 atm telah dijelaskan sebelumnya dan digambarkan pada gambar 2.9. Selanjutnya akan dijelaskan proses tersebut tetapi pada tekanan yang berbeda.

Untuk itumaka kita harus menambah bebanpada bagian atas torak sehingga tekanan pada bagian dalam silinder mencapai tekanan 1 Mpa. Pada tekanan tersebut, volume spesifiknya lebih kecildibandingkan pada saat tekanan 1 atm. Proses perubahan fasenya sama seperti yang telah ditunjukkan pada gambar 2.9 tetapi air mulai mendidih pada temperatur yang lebih tinggi yaitu 179,9oC.Selainitu garishorizontal yangmenghubungkan antara titikcair jenuh dan uap jenuh menjadi lebih pendek dibandingkan pada tekanan 1 atm.

Gambar 2.10. Diagram T-v untuk proses perubahan fase pada beberapa variasi tekanan (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Jika beban pada torak terus ditambahkan sehingga tekanan makinmeningkat maka pada diagram tersebut akan mencapai suatu titik pada tekanan 22,06 Mpa seperti ditunjukkan pada gambar 2.10. Titik ini disebut titikkritis yang didefinisikan sebagai titik dimana cair jenuh dan uapjenuh memiliki nilai yang sama. Titikini terjadi pada temperatur 373,95oC dengan nilai volume spesifik sebesar 0,003106 m3/kg.


(33)

2.3.2Diagram P-T

Gambar2.11 menunjukkan diagram P-T pada air. Diagram ini sering disebut dengan diagram fase dimana ketiga fase yaitu cair, padat, dan uap biasanya ada pada diagram ini dan masing masing dibatasi oleh tiga buah garis. Garis sublimasi memisahkan daerah padat dan uap, garis penguapan memisahkan daerah cair dan uap, dan garis peleburan atau pencairan memisahkan daerah padat dan cair. Ketiga garis ini bertemu pada triple point, dimana ketiga fase yang ada berada pada kondisi setimbang. Garis penguapan berakhir pada titik kritis karena tidak ada perbedaan yang terjadi antara cair dan uap diatas titik kritis ini.

Gambar 2.11. Diagram P-T

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

2.3.3 Diagram P-v

Bentuk umum dari diagram P-v pada air mirip dengan diagram T-v tetapi garis temperatur konstan memiliki kecenderungan garis menurun.


(34)

Gambar 2.12. Diagram P-V

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

2.4 Tabel Properti

Properti dari suatuzat biasanya ditampilkan dalam bentuktabel. Properti termodinamika dapat diukur dengan mudah, tetapi ada yang tidak bisa langsung melainkan harus dihitung terlebihdahulu. Untukmasing-masingzat,properti termodinamika ditampilkan lebihdari satutabel.Pemisahantabel tersebut dipersiapkan untuk masing-masing daerah sepertisuperheated vapor, compressed liquid serta saturated.

2.4.1. Entalpi

Jika kita melihat tabel maka kita akan menemukan dua buah properti baru diantaranya yaituentalpi (h) dan entropi (s). Entalpi merupakan properti baru yang digunakan untuk menyatakan kombinasi antara u+P v yang dinyatakan dalam persamaan :

ℎ= �+��...(2.5) atau

� =+��...(2.6)

2.4.2. Keadaan cair jenuh dan uap jenuh

Properti dari cair jenuh danuapjenuh pada air dapat dilihat pada tabel lampiran 1dan lampiran 2. Kedua tabel tersebut memberikan informasi yang sama, perbedaannya pada tabel lampiran 1 diurutkan berdasarkan temperatur sedangkan pada tabel lampiran 2 diurutkan berdasarkan tekanan. Penggunaan tabel lampiran 1 ditunjukkan pada gambar 2.13.


(35)

Gambar 2.13. Contoh tabel A-4

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Subscript f digunakan untuk properti pada cair jenuh dan subscript g digunakan untuk properti pada uap jenuh. Sedangkan subscript fg digunakan untuk menyatakan selisih antara cair jenuh dan uap jenuh.

Vf = Volume spesifik pada cair jenuh

Vg = Volume spesifik pada uap jenuh

Vfg= Selisih antara Vgdan Vf

2.4.3. Keadaan campuran air dan uap

Selama proses penguapan, air terdiri dari dua bagian yaitu cair dan uap yang disebut dengan campuran. Untuk menganalisa campuran ini maka kita harus mengetahui perbandingan antara massa air dan massa uap yang disebut dengan kualitas (x) yang dinyatakan dalam persamaan

�= ����...(2.7) m = mcair + muap = mf + mg...(2.8)

Kualitas memiliki nilai dari nol sampai dengansatu, pada keadaan cair jenuh x = 0 dan pada keadaan uap jenuhx = 1. Meskipun didefinisikan sebagainilai perbandingan, kualitas sering kali diberikan dalam bentuk persentase. Untukmenghitung nilai x dapat juga dilakukandengan menggunakan perbandingan dari volume dari campuran. Volume total campuran adalah jumlah volume fase cair dan uap.


(36)

V = Vca ir + Vua p...(2.9)

Jika dibagi dengan massa total campuran m maka diperoleh volume spesifik ratarata (

���).

���

=

=

�����

+

���� ...(2.10) Karena fase cair adalah cair jenuh dan fase uap jenuh, ����� = ����� dan , ���� = ������ jadi,

���

=

����

� ��

+

���

� �

�...(2.11) Kualitas didefinisikan sebagai, x = ����/�dan �����/� =1 – x , sehingga apabila disubstitusikan kepersamaan diatas, akan diperoleh :

���� = (1− �)�� +���...(2.12) ���� =�� +����− ���= �� +����...(2.13) Dan didapatkan persamaan untuk kualitas uap,

=

����−��

��� ...(2.14) Berdasarkan persamaan ini, kualitas dapat dihubungkan dengan suatu garis horizontal pada diagram P-v atau T-v seperti ditunjukkan pada gambar 2.14.

Gambar 2.14. Kualitas uap air


(37)

Analisa yang telah diberikan diatas dapat digunakan untuk energi dalam (u) dan entalpi (h)yang akan menghasilkan persamaan dibawah ini

���� = �� +����...(2.15) ℎ��� = ℎ� +�ℎ��...(2.16) Semua hasil persamaan dapat dirangkum dalam suatu persamaan umum, yaitu

���� =�� +����...(2.17)

2.4.4. Keadaan Uap Panas Lanjut

Daerah ini terletak pada bagian kanan dari garis uap jenuh dan pada bagian atas temperatur titik kritis. Dengan membandingkan dengan uap jenuh maka uap panas lanjut memiliki beberapa karakteristik, diantaranya :

1. Tekanan lebih rendah ( P < Psat pada T yang sama) 2. Temperatur lebih tinggi (T > Tsat pada P yang sama)

3. Volume spesifik lebih tinggi (v > vg pada P atau T yang sama) 4. Energi dalam lebih tinggi (u > ug pada P atau T yang sama) 5. Entalpi lebih tinggi ( h > hg pada P atau T yang sama)

2.4.5 Keadaan Cair Tekan

Tabel cair tekan formatnya sama dengan tabel uap panas lanjut. Hanya saja pada umumnya tabel cair tekan memiliki variasi tekanan yang besar. Dengan membandingkan dengan uap jenuh maka cair tekan memiliki beberapa karakteristik, diantaranya : 1. Tekanan lebih tinggi (P > Psat pada T yang sama)

2. Temperatur lebih rendah ( T < Tsat pada P yang sama)

3. Volume spesifik lebih rendah ( v < vg pada P atau T yang sama) 4. Energi dalam lebih rendah (u < ug pada P atau T yang sama) 5. Entalpi lebih rendah (h < hg pada P atau T yang sama)


(38)

2.5. Analisis Energi 2.5.1. Bentuk Energi

Energi dapat terdiri dari berbagai bentukseperti termal, mekanik, kinetik, potensial, listrik, magnetik, kimia, dan nuklir yangkeseluruhannya merupakan energi total Edari sistem. Total energi dari sistem dalam unit massa dinotasikan dengan e dan dinyatakan sebagai :

e =

E

m...(2.18)

Energi kinetik merupakan bentuk energi makrospik yang berhubungan dengan gerakan dan disimbolkan dengan EK. Ketika seluruh bagian dari suatu sistem bergerak dengan kecepatan yang sama, energi kinetik dinyatakan sebagai :

��= 1

2��

2...(2.19)

Dimana v menyatakan kecepatan dari suatu sistem yang relatif terhadap referensi yang tetap. Sedangkan energi yang berhubungan dengan elevasi atau ketinggian disebut dengan energi potensial yang dinyatakan sebagai :

�� = ��� (��)...(2.20) Dimana g adalah percepatan gravitasi dan z adalah elevasi dari titik tengah gravitasi. Total energi dari suatu sistem terdiri dari energi kinetik,energi potensial dan energi dalam yang dinyatakan dengan :

� = +��+�� =+1

2��

2+���...(2.21) 2.5.2 Kerja Aliran

Kerja yang diperlukan untuk mendorong suatu massa fluida untukmasuk atau keluar dalam suatu volume atur disebut kerja aliran atau energi aliran. Untuk mendapatkan hubungan pada suatu kerja aliran maka digunakan skema seperti terlihat pada gambar 2.15. Fluida mengalir dan memberikan gaya kepada torak khayalan untuk masuk kedalam volume atur. Jika tekanan fluida adalah P dan luas permukaan dari fluida adalah A, maka gaya yang diberikan oleh fluida pada torak khayalan adalah :

F = P.A...(2.22) Untukmendorongfluida masukkedalam volume atur, maka gaya akan menyebabkan torakkhayal akan bergeraksejauh L. Jadi kerja yangdilakukan untuk mendorong fluida masuk kedalam sistem adalah:


(39)

Kerja aliran per unit massa diperoleh dengan cara membagi persamaan tersebut dengan massa dari fluida tersebut, sehingga didapatkan :

����� = ��...(2.24) wflow = P v

Gambar 2.15. Skema untuk kerja aliran (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

2.5.3. Total Energi pada Fluida yang Mengalir

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa total energi dari suatu sistem terdiri dari energi kinetik, energi potensial dan energi dalam yang dinyatakan dalam unit massa yaitu dengan :

�= �+��+�� =�+12�2+��...(2.25)

Persamaan diatas merupakan persamaan untuk fluida yang tidak mengalir (non flowing fluid), sedangkan total energi untuk fluida yang mengalir (flowing fluid) yang dinotasikan dengan θ perunit massa yaitu :

� =����� +� =��+ (�+��+��)...(2.26)

2.5.4. Analisis Energi pada Sistem Aliran Steady

Sejumlah besar peralatan seperti turbin, kompresor dan nosel dioperasikan dalam jangka waktuyanglama dan pada kondisi yangrelatif tetap. Peralatan tersebut diklasifikasikan kedalam peralatan aliran stedi yang didefinisikan sebagai proses mengalirnya suatu fluida yang melewati volume atur secara steady.

Selama proses aliran stedi tidak ada sifat intensif atauekstensif yang ada didalam volume atur yang berubah terhadap waktu. Jadi volume (�), massa (�), dan total energi (E) pada volume atur tetap konstan.


(40)

Gambar 2.16. Massa dan energi didalam volume atur konstan pada kondisi aliran steady

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Sifat-sifat fluida pada bagian inlet dan outlet konstan selama proses aliran steady. Kalor dan kerja yang berinteraksi antara sistem aliran steady dan lingkungan sekitarnya juga tidak berubah terhadap waktu. Keseimbangan massa untuk sistem aliran steady diberikan pada persamaan berikut,

∑ ṁ

��

=

���

...(2.27)

Selama proses aliran steady, total energi yang terdapat pada volume atur konstan (��� =�������) dan tidak ada perubahan total energi pada volume atur (��� = 0). Jadi jumlah energi yang masuk kedalam volume atur dalam berbagai bentuk (oleh kalor, kerja dan massa) harus sama dengan jumlah energi yang keluar. Sehingga keseimbangan energinya menjadi,

...(2.28)

Atau

�� = ���...(2.29)

dan jika dijelaskan lagi energi yang ditransfer oleh kalor, kerja dan massa maka persamaanya dapat ditulis menjadi,

��� +Ẇ�� +∑ ṁ��� = ���� +Ẇ��� +∑���ṁ�...(2.30)

Rate of net energy transfer by heat, work, and mass

Rate of net energy transfer by heat, work, and mass


(41)

Karena energi pada fluida yang mengalir per unit massa adalah � =ℎ+1

2�

2 +�� maka,

��� +Ẇ�� +� ṁ(ℎ+

1 2�

2+��)

��

=��� +��� +� ṁℎ+1 2�

2+��

���

(2.31

Jika perpindahan energi bersih melalui kalor (Q) dan kerja (Ẇ) yang melewati batas volume atur, maka persamaanya menjadi,

� − Ẇ=∑ ṁ(+1

2�

2 +��)

��� − ∑ ṁℎ�� +12�2+��...(2.32) jika perpindahan energi yang melewati volume atur yaitu yang masuk kedalam volume atur

dinotasikan dengan subscript 1 dan yang keluar dari volum atur dinotasikan dengan subscript 2 maka persamaanya menjadi,

� − Ẇ

=

ṁ �ℎ2

− ℎ1

+

�22−�12

2

+

(

�2

− �

1

)

...(2.33)

jika persamaanya dibagi dengan �maka keseimbangan energi per unit massa

� − �

=

ℎ2

− ℎ1

+

�22−�12

2

+

(

�2

− �1

)

...(2.34)

Dimana :

q = laju perpindahan kalor antara volume atur dan lingkungan. Jika volume kontrol kehilangan kalor maka q bernilai negatif. Jika volume atur terisolasi dengan sempurna (adiabatik) maka q = 0

w = kerja. Jika tidak ada kerja pada sistem maka w = 0

Δh = ℎ2− ℎ1 .Merupakan perubahan entalpi pada fluida dapat ditentukan dengan mudah dengan cara melihat nilai entalpi pada sisi inlet dan outlet dari tabel.

Δek =

�22−�12

2 . Perubahan energi kinetik. Selisih kecepatan 45 m/s dapat disamakan

dengan energi kinetik sebesar 1 kJ, sangat kecil bila dibandingkan dengan selisih nilai entalpi. Jadi jika energi kinetik yang memiliki selisih kecepatan yang rendah maka energi ini dapat diabaikan. Akan tetapi jika selisih kecepatannya tinggi akan menyebabkan kenaikkan energi kinetik yang besar


(42)

Δep = �(�2− �1) . Perubahan energi potensial sebesar 1 kJ sama dengan perbedaan

ketinggian sebesar 102 m. Perbedaan ketinggian antara sisi inlet dan outlet pada peralatan industri seperti turbin dan kompresor dibawah nilai ini, maka energi potensialnya dapat diabaikan

2.6. Entropi

2.6.1. Definisi Entropi

Sifat ataukeadaan perilakupartikel dinyatakandalam besaran entropi, entropi ini didefinisikan sebagai bentuk ketidakteraturan perilaku partikel dalam sistem. Entropi didasarkan pada perubahan setiap keadaan yang dialami partikel dari keadaan awal hingga keadaan akhirnya.

Semakin tinggi entropi suatu sistem, semakin tidak teratur pula sistem tersebut.Sistem menjadi lebih rumit, kompleks dan sulit diprediksi. Untuk mengetahui konsepketeraturan,mula-mula kita perlumembahas hukum kedua termodinamika yangdikenal sebagai ketidaksamaan Clausius dan dapat diterapkan pada setiap siklus tanpa memperhatikan dari benda mana siklus itumendapatkan energi ataukemana siklus itumelepaskan energi melaluiperpindahan kalor. Ketidaksamaan Clausius mendasari dua hal yangdigunakan untukmenganalisissistem tertutupdanvolume atur berdasarkan hukum kedua termodinamika yaitusifat entropi dan neraca entropi.Ketidaksamaan Clausiusmenyatakan bahwa:

∮ �

��

=

−�

������...(2.35) Dimana �� mewakili perpindahan kalor pada batas system selama terjadinya siklus, T adalah temperatur absolut pada daerah tersebut. Subskrip b menunjukkan bahwa integral dihitung pada daerah batas sistem yang mengalami siklus. Integral dilakukan pada semua bagian dari batas tersebut dan siklus secara keseluruhan. Sedangkan

������ dapat mewakili tingkat ketidaksamaan atau nilai entropi yang dalam pembahasan selanjutnya menggunakan simbol S. Nilai

������ positif pada saat terjadi ireversibilitas internal, nol saat tidak adanya irreversibilitas internal, dan tidak mungkin bernilai negatif.

������� = 0 tidak ada ireversibilitas internal dalam sistem �������> 0 timbul ireversibilitas internal dalam sistem �������< 0 tidak mungkin


(43)

Jadi

������ merupakan ukuran dari efek yang ditimbulkan oleh ireversibilitas pada saat sistem menjalani suatu siklus. Kesamaan dan ketidaksamaan memiliki penjabaran yang sama seperti pada pernyataan Kelvin-Plank, yaitu kesamaan muncul pada saat tidak adanya ireversibilitas internal ketika sistem mengalami siklus, sedangkan ketidaksamaan akan terjadi pada saat sistem mengalami ireversibilitas internal.

2.6.2. Penggunaan Persamaan T dS

Dengan mengambil simbol S yang menunjukkan suatu sifat yang disebut entropi, maka perubahan entropi dapat dituliskan sebagai :

�2 =�1

=

�∫

��

� 2

1

��� ���...(2.36)

Dimana “int rev” menunjukkan bahwa integrasi tersebut dilakukan untuk setiapproses reversibel internal yangmenghubungkandua keadaan.Persamaan tersebut merupakan didefinisi dari perubahan entropi. Dalam bentuk diferensial, persamaan diatas dapat dituliskan menjadi,

��

=

��

� ��� ���...(2.37)

Atau

(��)��� ��� =��...(2.38) Dimana �� adalah jumlah kalor yang masuk atau keluar dari sebuah sistem, dSadalah perubahan entropi sistem, dan T adalah temperaturnya.

2.6.3. Penggunaan Diagram Entropi

Padasaat hukum kedua termodinamika diterapkan, diagram ini sangat membantu untukmenentukan lokasi dankeadaan dan menggambarkan proses pada diagram dimana koordinatnya adalah nilai entropi. Diagram dengan salah satu sumbu koordinat berupa entropi yangseringdigunakan adalah diagram temperatur-entropi (T-s) dan diagram entalpi-entropi (h-s).


(44)

1. Diagram T-s

Bentuk umum dari diagram temperatur-entropi dapat dilihat pada gambar 2. 17.Pada daerah uappanas lanjut dalam diagram T-s, garis-garis entalpi spesifik konstan hampir membentuk garis lurus pada saat tekanan berkurang. Keadaan ini dirunjukkan pada daerah terarsir pada gambar 2.17. Untuk keadaan pada daerah ini, entalpi ditentukan hanya dengan temperatur. Variasi tekanan antara beberapa keadaan tidak berpengaruh besar.

Pada daerah uappanas lanjut dalam diagram T-s, garis-garis entalpi spesifik konstan hampir membentuk garis lurus pada saat tekanan berkurang. Keadaan ini dirunjukkan pada daerah terarsir pada gambar 2.17. Untuk keadaan pada daerah ini, entalpi ditentukan hanya dengan temperatur. Variasi tekanan antara beberapa keadaan tidak berpengaruh besar.

Gambar 2.17. Diagram temperatur-entropi (Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, 2006)

2. Diagram H-s

Diagram entalpi-entropi ini disebut juga dengan diagram Mollier, seperti tampakpada gambar 2.18.


(45)

Gambar 2.18. Diagram entalpi-entropi (Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, 2006)

Garis-garis kualitas konstan ditunjukkan pada daerah campuran dua fase cair-uap. Grafik ini digunakan untuk mendapatkan nilai sifat pada keadaan uap panas lanjut dan untuk campuran dua fase cairuap. Data cairan umumnya jarangtersedia. Pada daerah uappanas lanjut, garis temperatur konstan mendekati horizontal pada saat tekanan berkurang yang ditunjukkan pada daerah terarsir pada gambar 2.18.

2.7 Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Pembangkit listrik tenaga uap merupakan salah satu dari jenis pembangkit, dimana pembangkit ini memanfaatkan uapyang dihasilkan oleh boiler sebagai sumber energi untukmenggerakan turbin dansekaligus memutar generator sehingga akan dihasilkan tenaga listrik. Sistem pembangkit tenaga uapyang sederhana terdiri dari empat komponen utama yaitu boiler, turbin uap, kondenser danpompa kondensat.Skemapembangkitlistriktenagauapdapat ditunjukkan pada gambar berikut. Pompa digunakan untuk mengkompres air sampai tekanan operasi boiler. Air memasuki boiler sebagai cairan kompresi dan akan menjadi uap superheated.


(46)

Gambar 2.19. Skema pembangkit listrik tenaga uap (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Uap superheated kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dapat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur uap akan turun dan masuk ke kondenser, dan kemudian dicairkan pada tekanan konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa.

2.8. SiklusIdeal Turbin Uap

Siklus ideal yangmendasarisiklus kerja dari suatupembangkit daya uap adalah siklus Rankine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya

yangmengalami perubahanfase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika siklus uap

dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isotermal.

Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalor pada siklus Carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan enalpi fluida kerja akan menghasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak pada perubahan temperatur.


(47)

Gambar 2.20. Siklus Rankine Sederhana (Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Temperatur hanya diatur oleh tekanan uap fluida. Kerja pompa pada siklusRankine untukmenaikkan tekanan fluida kerjadalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatanuntukcampuran uap dalam tekanan yang samapadasiklusCarnot.

Siklus Rankine ideal terdiri dari 4 tahapan proses : 1 -2 Kompresi isentropik dengan pompa.

2 -3 Penambahan panas dalam boiler secara isobar 3 - 4 Ekspansi isentropik pada turbin.

4 -1 Pelepasanpanas pada kondenser secara isobardan isotermal

Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh (saturated liquid) dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik karena menurunnya volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uap saturated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada tekanan yang tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator. Uap saturated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dapat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur dari steam akan turun selama prosesini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.


(48)

2.9 Siklus Rankine Reheat Ideal

Pada siklus Rankine reheat ideal terjadi 2 kali proses ekspansi. Pada ekspansi pertama

(high-pressure turbine), uap diekspansikan secara isentropic ke tekanan medium dan dikirimkan kembali ke boiler untuk dipanaskan kembali dengan tekanan konstan. Lalu pada proses ekspansi ke kedua (low-pressure turbine) uap diekspansikan secara isentropic ke tekanan kondenser. Maka total panas yang masuk ke boiler dan total kerja turbin pada siklus reheat dapat ditentukan dengan:

��� =�������� +���ℎ��� = (ℎ3− ℎ2) + (ℎ4− ℎ5)……….(2.39)

Dan

�����,��� =�����,1+�����,2 = (ℎ3− ℎ4) + (ℎ5− ℎ6)……….(2.40)

Gambar 2.21. Siklus Rankine Reheat

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Penggunaan dari pada reheat tunggal pada pembangkit listrik modern menaikkan efisiensi siklus menjadi 4 sampai 5 persen dengan cara meningkatkan suhu rata-rata uap yang ditransferkan kembali.

Siklus reheat diperkenalkan pada pertengahan tahun 1920, tapi kemudian ditinggalkan pada tahun1930an karena tingkat kesulitan yang tinggi dalam pengoperasiannya. Karena kenaikan tekanan boiler yang stabil seiring berkembangnya waktu maka siklus reheat tunggal kembali diperkenalkan pada tahun 1940 an dan reheat ganda pada awal tahun 1950an.


(49)

Suhu pada proses reheat sama dengan suhu inlet turbin. Tekanan maksimum proses

reheat adalah seperempat tekanan maksimum siklus. Contohnya tekanan optimum reheat pada siklus dengan tekanan boiler 12 MPa adalah 3 MPa.

2.10. Siklus Rankine Regeneratif Ideal

Salah satu cara untuk menaikkan efisiensi siklus adalah dengan meningkatkan suhu air (feedwater) sebelum masuk ke dalam boiler.Salah satu cara menaikkan suhu ini adalah dengan mengirimkan panas ke feedwater dari uap ekspansi turbin yang dialirkan kembali sebagian yang disebut dengan proses regenerasi.

Proses regenerasi pada pembangkit tenaga uap didapatkan dari ekstraksi uap dari turbin pada titik atau stages tertentu. Uap ini digunakan untuk memanaskan feedwater. Alat untuk memanaskan feedwater pada regenerasi disebut dengan feedwater heater.

Proses regenerasi tidak hanya berfungsi untuk menaikkan efisiensi siklus, tapi juga dapat melakukan proses deaerasi (membuang kandungan gas pada air) pada feedwater yang akan mencegah korosi pada boiler.

2.10.1 Open Feedwater Heaters

Open Feedwater Heaters pada dasarnya adalah mixing chambers, dimana uap hasil ekstraksi dari turbin dicampur dengan feedwater. Skema dari pembangkit listrik tenaga uap dengan satu open feedwater heater dan diagram T-s ditunjukkan oleh gambar 2.22 berikut ini

Gambar 2.22. Siklus Rankine Regeneratif dengan Open Feedwater Heater


(50)

Pada siklus regeneratif Rankine ideal, uap masuk ke turbin pada tekanan boiler (kondisi 5) dan diekspansikan secara isentropic ke tekanan medium (kondisi 6). Beberapa uap akan diekstraksi dan dikirim kembali ke feedwater heater, sementara uap yang tersisa diekspansikan lanjut secara isentropic ke tekanan kondenser (kondisi 7). Air kondensasi yang juga disebut dengan feedwater dipompakan kembali ke feedwater heater, dimana disana akan dicampur dengan uap ekstraksi dari turbin. Fraksi dari uap ekstraksi meninggalkan heater sebagai uap saturasi pada tekanan heater (kondisi 3). Pompa kedua meningkatkan tekanan air hingga mencapai tekanan boiler (kondisi 4). Siklus berakhir dengan dipanaskan air pada boiler hingga kondisi masuk turbin (kondisi 5).

Untuk setiap 1 kg uap yang meninggalkan boiler, y kg diekspansikan terpisah di dalam turbin dan diekstraksikan pada kondisi 6. Sisa (1-y) kg diekspansikan ke tekanan kondenser. Oleh karena itu Flow rate pada setiap komponen berbeda. Jika flow rate boiler adalah ṁ, maka (1-y)m melewati kondenser. Panas dan kerja pada siklus rankine regeneratif dengan satu

feedwater heater dapat dicari dengan :

��� =ℎ5− ℎ4……….(2.41)

���� = (1− �)(ℎ7− ℎ1)……….(2.42)

�����,��� = (ℎ5− ℎ6) + (1− �)(ℎ6− ℎ7)………..(2.43)

�����,�� = (1− �)������,�� +�����,����……….(2.44) Dimana:

�= ṁ6/ṁ5………..(2.45)

������,�� = �1(�2− �1)………....(2.46)

�������,�� =�3(�4− �3)………....(2.47)

2.10.2. Closed Feedwater Heaters

Tipe feedwater heater lainnya yang biasa digunakan adalahClosed Feedwater Heaters,

dimana panas yang ditransfer dari uap ekstraksi ke feedwater tanpa dicampur terlebih dahulu.. Kedua aliran dapat berada pada tekanan yang berbeda karena mereka tidak bercampur. Skema dari pembangkit listrik tenaga uap dengan satu closed feedwater heater dan diagram T-s dari siklus ditunjukkan oleh gambar 2.23 berikut ini :


(51)

Gambar 2.23. Siklus Rankine Regeneratif dengan Closed Feedwater Heater

(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Pada Closed Feedwater Heater yang ideal, feedwater dipanaskan hingga suhu keluar dari uap ekstraksi, dimana idealnya meninggalkan heater sebagai cairan jenuh pada tekanan ekstraksi. Pada sistem pembangkit tenaga actual, feedwater meninggalkan heater dibawah suhu keluar dari uap ekstraksi karena perbedaan suhu beberapa derajad diperlukan untuk efektifitas perpindahan panas.

Uap kondensasi baik yang dipompakan ke aliran feedwater maupun dikembalikan lagi ke heater lainnya atau ke kondenser disebut dengan trap. Trap dapat membuat cairan dipompakan ke tekanan yang lebih rendah.

2.11. Analisis Energi Pada Sistem Pembangkit Listrik

Perpindahan kalor yang tidak dapat dihindari antara komponen pembangkit da sekelilingnya diabaikan untuk memudahkan analisis. Perubahan energykinetik dan potensialjuga diabaikan. Setiap komponen dianggap beroperasi padakondisi tunak (steady). Dengan menggunakan prinsip konservasi massa dan konservasi energi bersama-sama dengan idealisasi tersebut maka akan dikembangkan persamaan untuk perpindahan energi pada masing-masing komponen pembangkit.

1. Pompa

Kondensat cair yang meninggalkan kondenser pada kondisi 1 dipompa dari kondenser kedalam boiler sehingga tekanannya naik. Dengan menggunakan volume atur disekitar pompa


(52)

dan mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor disekitarnya, kesetimbangan laju massa dan energi adalah

� − �

=

ℎ1

− ℎ2

+

�21−�22

2

+

(

�1

− �2

)

...(2.48)

Atau :

�� =ℎ2− ℎ1...(2.49)

2. Boiler

Fluida kerja meninggalkan pompa pada kondisi 2 yang disebut dengan pemanas air umpan sampai jenuh dan diuapkan di dalam boiler. Dengan menggunakan volume atur yang melingkupi tabung boiler dan drum yang mengalirkan air-pengisian dan kondisi 2 ke kondisi 3, kesetimbangan laju massa dan energi menghasilkan

��� = ℎ3− ℎ2...(2.50)

Dimana ��� adalahlaju perpindahan kalor dari sumber energi ke dalam fluida kerja per unit massa yang melalui boiler.

3. Turbin

Di dalam turbin terjadi pelepasan energi untuk menggerakkan beban (generator dan kompresor). Uap yang disuplai dari boiler akan berekspansisehingga tekanannya naik dan mampu mendorong tingkat sudu turbin.

Uap dari boiler pada kondisi 3, yang berada pada temperatur dan tekanan yang sudah dinaikkan, berekspansi melalui turbin untuk menghasilkan kerja dan kemudian dibuang ke kondenser pada kondisi 4 dengan tekanan yang relatif rendah. Dengan mengabaikan perpindahan kalor dengan sekelilingnya, kesetimbangan laju energi dan massa untuk volume atur di sekitar turbin pada kondisi tunak menjadi :

�� = ℎ3− ℎ4...(2.51)

4. Kondenser

Dalam kondenser terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran yang terpisah. Uap terkondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada


(53)

kondisi tunak, kesetimbangan laju masa dan energi untuk volume atur yang melingkupi bagian kondensasi dan penukar kalor adalah :

���� =ℎ4 − ℎ1...(2.52)

Dimana ���� merupakan laju perpindahan energi dari fluida kerja ke air pendingin per unit massa fluida kerja yang melalui kondenser

Efesiensi termal mengukur seberapa banyak energi yang masuk kedalam fluida kerja yang masuk kedalam boiler yang dikonversi menjadi keluaran kerja netto.

��ℎ

=

��−��

���

=

(3−ℎ4)(2−ℎ1)

(3−ℎ2) ...(2.53)

2.12. Analisa Overall Efficiency

Analisis overall efficiency adalah efisiensi keseluruhan suatu sistem PLTU yang merupakan perbandingan antara energi yangdimasukkan kedalam sistem yaitu berupa energi yang berasal dari bahan bakar dengan energi yang dihasilkan oleh sistem berupa daya listrikyangdihasilkanoleh generator dan dinyatakan dalam persamaan.

�������

=

����������

��� ℎ������� ...(2.54)

Dimana kerja yang dihasilkan oleh generator merupakan daya listrik aktual yang dihasilkan oleh sistem dimana

���������� = �.�...(2.55) Sedangkan jumlah energi bahan bakar yang dimasukkan ke dalam sistem PLTU yaitu

���ℎ������� =ṁ��ℎ������� ���...(2.56) Dimana HV (Heating Value) adalah nilai kalor bahan bakar yang digunakan untuk SPTU ini.

2.13. Analisa Jumlah Penggunaan Bahan Bakar

Pada boiler jumlah penggunaan bahan bakar yang digunakan berdasarkan jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah air yang masuk kedalam boiler menjadi uap panas


(54)

superheated yang akan di masukkan ke turbin. Proses pembentukan uapair dari fase cair menjadi uap melalui proses yang disebut panas sensibel dan panas laten. Panas sensibel ialah panas yang menyebabkan terjadinya kenaikan/ penurunan temperatur namun phasa (wujud) tidak berubah. Sedangkanpanas laten ialah panas yang diperlukan untuk mengubah phasa (wujud) benda namun temperaturnya tetap. Untuk mengetahui panas yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap dalam boiler dapat dicari dengan rumus berikut :

������ =�1+�2+�3...(2.57)

�1 =ṁ.��.��1...(2.58)

�2=ṁ.����������...(2.59)

�3 =ṁ.��.��2...(2.60)

Dimana :

Q = Jumlah panas yang dibutuhkan, kJ/kg

ṁ = Flow rate air/uap jenuh, ton/hr Cp = Heat Capacity

��1 = Selisih temperatur air dan air jenuh pada boiler

��2 = Selisih temperatur uap jenuh dan uap superheated pada boiler

2.14REFPROP

Refprop adalah akronim dari Reference Fluid Properties. Program ini dikembangkan oleh National Institute of Standards and Technology (NIST) yang berfungsi untuk menghitung sifat termodinamika dari fluida dan campurannya. Sifat –sifat termodinamika ini dapat ditampilkan dalam bentuk table dan diplot secara grafik.


(55)

Data Refprop berdasarkan data akurat dari fluida murni dan campurannya yang tersedia pada saat ini. Refprop menerapkan tiga model untuk sifat termodinamika fluida

murni: Persamaan energi Helmholtz, Persamaan Benedict-Webb-Rubin yang dimodifikasi dan

Extended corresponding states (ECS) yang dimodifikasi.

Pada software Refprop ini terdapat berbagai macam jenis fluida yang bisa tersedia.Mulai dari fluida murni sampai fluida dengan campuran. Untuk menentukan fluida yang ingin digunakan kita tinggal memilih di menu substance. Pada menu substance ini juga tersedia informasi mengenai fluida yang digunakan dan kita juga dapat mengetahui jenis fluida dengan cara memasukkan beberapa sifat atau properties yang diketaui.Gambar 2.Berikut ini merupakan tampilan menu substance.

Gambar 2.25Menu Substance

Hasil perhitungan dari sifat termodinamika pada refprop ini dapat ditampilkan dalam table. Pada refprop table yang tersedia:Saturation Tables, Isoproperty Tables, Specified State Points Tables, Single Point Saturation Tables, danSaturation Point (bubble and dew points at same composition) Tables. Dengan memasukkan parameter-parameter fluida yang diinginkan, maka akan didapatkan fluid properties dari fluida. Pada gambar 2.26 berikut ini ditampilkan contoh table saturasi dari fluida air dari suhu 00C – 4600C .


(56)

Gambar 2.26Saturation Table of water

Properties atau sifat fluida dapat juga di tampilkan dalam diagram. Diagram yang tersedia adalah:

• Temperature vs. Entropy

• Temperature vs. Enthalpy

• Temperature vs. Density

• Pressure vs. Enthalpy

• Pressure vs. Density

• Pressure vs. Volume

• Pressure vs. Temperature

• Compressibility Factor vs. Pressure

• Enthalpy vs. Entropy

• Isochoric Heat Capacity vs. Temperature

• Isobaric Heat Capacity vs. Temperature

• Speed of Sound vs. Temperature

• Exergy vs. Enthalpy

• Isothermal Compressibility vs. Temperature

• Viscosity vs. Temperature

• Thermal Conductivity vs. Temperature

• Temperature vs. Composition (for binary mixtures only)

• Pressure vs. Composition (for binary mixtures only)

Dengan cara memasukkan parameter-parameter fluida yang diinginkan, maka akan didapatkan diagram yang diinginkan. Pada gambar 2.27 berikut ini akan ditampilkan contoh diagram T-S dari fluida air.


(57)

Gambar 2.27 Diagram T-S Air

2.15SteamTab

SteamTab adalah perangkat lunak yang menyediakan data akurat dari daftar lengkap sifat termodinamika dan fisik untuk air dan uap. SteamTab mengadopsi formulasi disetujui oleh International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS): The IAPWS Formulation of Ordinary Water for General and Scientific Use (IAPWS-95). Persamaan yang digunakan adalah persamaan Helmholtz energy bebas f. Persamaan ini tidak memilik dimensi dengan bentuk φ=f/(RT) dan dibedakan menjadi dua bagian yaitu gas ideal (φo) dan residual

(φr

), maka :

...(2.61) Dimana δ=ρ/ρc dan τ = Tc/T

Bagian gas ideal dari persamaan Helmholtz energy bebas didapatkan dari persamaan umtuk heat capacity isobaric spesifik di perasmaan gas ideal yang dikembangkan oleh J.R. Cooper yaitu:

………(2.62) Untuk bagian residual ideal dari persamaan Helmholtz energy bebas adalah sebagai berikut :


(58)

..(2.63)

Dengan :

Gambar 2.28 ChemicaLogic SteamTab Companion

SteamTab dirancang untuk memudahkan mengakses nilai property dan uap air. SteamTab dapat mengevaluasi properties dari air dan uapdalam berbagai kondisi (suhu 190oK - 5000K ; tekanan 0 – 100.000 bar). Dengan menggunakan SteamTab dimungkinkan pemeriksaan scenario dan desain untuk optimasi dalam skala besar.SteamTab juga dapat digunakan untuk menghasilkan grafik Mollier dan table uap sesuai kebutuhan.

Fungsi SteamTab dibagi menjadi tiga kategori:

• Fungsi untuk uap, cair atau dua sifat fase jenuh (2 fungsi)

Kedua fungsi menghitung uap, cair dan dua-sifat fase dari tiga titik sampai titik kritis. Disini dapatdipilih suhu atau tekanan sebagai variabel independen. Fungsi untuk uap,cair dan dua sifat fase jenuh ditunjukkan oleh gambar 2. berikut ini:


(59)

Gambar 2.29 Fungsi untuk fase uap,cair dan campuran

• Fungsi untuk superheated uap atau sifat cairan subcooled (9 fungsi)

Fungsi dalam kategori ini menyediakanalat untuk menetukansifat konstan pada proses. Tergantung pada pilihan variabel independen, dapat dimodelkan isentropik, isenthalpic, volume konstan, atau proses energi internal konstan.Fungsi untuk

superheated uap atau sifat cairan subcooled ditunjukkan oleh gambar 2.30 berikut ini


(60)

• Fungsi untuk properti uap konstan (8 fungsi)

Fungsi dalam kategori ini memberikan akses ke properti uapdasar yang bukan merupakan fungsi temperatur atau tekanan, seperti: berat molekul, sifat kritis. Fungsi untuk fase uap konstan ditunjukkan oleh gambar 2.31 berikut ini

Gambar 2.31 Fase uap konstan

2.16Computer Aided Thermodynamic Tables 2(CATT2)

Computer Aided Thermodynamic Tables 2(CATT2) adalah software yang memuat berbagai macam table termodinamika yang biasanya terdapat pada buku referensi. Dengan menggunakan software ini tidak diperlukan lagi interpolasi untuk mencari harga sifat temodinamik di table.Hanya dengan memasukkan nilai sifat yang ingin di evaluasi, kemudian akan didapatkan sifat-sifat lain yang ingin diketahui.


(61)

Dalam pengoperasian software ini,dibutuhkan parameter-parameter untuk menentukan sifat fluida yang ingin dicari. Parameter tersebut dapat berupa suhu, tekanan,enthalpy, atau entropi. Biasanya Cuma dibutuhkan dua buah parameter untuk mengetahui sifat selanjutnya. Contohnya dengan memasukkan nilai suhu dan tekanan dari fluida maka akan diketahui entalpi dan entropinya. Gambar 2.33 berikut menunjukkan tabel general properties.

Gambar 2.33 Tabel General Properties

Layar softwareCATT2terbagi 2 bagian yaitu bagian atas dan bawah.Pada bagian atas menampilkan nilai sifat yang terakhir dievaluasi dan posisi dari nilai tersebut secara grafik.Pada bagian atas menunjukkan diagram T-S dan posisi dari nilai sifat suatu fluida. Gambra 2.34 berikut menunjukkan diagram T-s yang ditampilkan software.

Pada bagian bawah berisikan halaman data yang memuat semua nilai sifat fluida yang dievaluasi. Di Halaman data tersebut akan ditampilkan dengan table sifat-sifat fluida yang ingin dievaluasi. Gambar 2. Berikut ini akan menunjukkan tampilan data dari pada CATT2:

Gambar 2.34 Diagram T-S

Pada bagian bawah,layar akan menunjukkan tabel hasil data yang diperoleh. Dari tabel tersebut akan didapatkan suhu,tekanan,entalpi,entropi dan sifat fisik ari pada fluida tersebut. Gambar 2.35 berikut akan menunjukkan tampilan data dari CATT2.


(62)

Gambar 2.35 Tampilan data CATT2

Pada softwareCATT2 ini terdapat berbagai macam fluida yang dapat dianalisis. Jenis fluida yang tersedia di CATT2 ini adalah air, refrigerant,cryogenic, udara, gas ideal, air bertekanan, psycometric .Untuk memilih jenis fluida yang ingin dicari dapat dilihat di bagian bawah layar software. Disitu dapat dilihat berbagai macam fluida.Dengan mengklik jenis fluida yang diinginkan ,maka software akan menganalisis sifat dari fluida tersebut setelah dimasukkan parameter yang ingin dicari.Gamabar 2. 36 berikut menampilkan jenis fluida yang ada pada CATT2.


(63)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 3.1.1 Tempat Penelitian

Tempat penulis melakukan penelitian adalah di SPTU PT. Pertamina (PERSERO)

Refinery Unit IV Cilacap

3.1.2 Waktu Penelitian

Penelitian dilakukan mulai 17 November – 17 Desember 2014

3.2Alat dan Bahan 3.2.1 Alat

Alat yang digunakan untuk memperoleh data di SPTU PT. Pertamina (PERSERO)

Refinery Unit IV Cilacap yaitu sebagai berikut :

Manometer, Digunakan untuk mengukur tekanan uap didalam ketel dan turbin. Pembacaan data dilakukan di control room. Gambar 3.1 menunjukkan contoh gambar dari manometer.

Gambar 3.1 Manometer


(64)

Termometer, Digunakan untuk mengukur suhu air dan uap pada SPTU.Hasil pengukuran kemudian akan disampaikan ke control room. Gambar 3.2 menunjukkan contoh gambar termometer.

Gambar 3.2 Termometer

(Sumber :

Orificemeter, Digunakan untuk mengukur jumlah aliran air atau yang uap yang masuk ke komponen SPTU. Pembacaan data dilakukan di control room.

Gambar 3.3 Orifice meter

(Sumber :

Alat yang digunakan untuk mengolah data dari PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap sebagai berikut:


(65)

Laptop, digunakan untuk mengolah data dari alat pengukur dengan menggunakan

software yang sudah dipasang pada laptop. Gambar 3.5 berikut ini adalah laptop

yang digunakan penulis.

Gambar 3.4 Laptop Spesifikasi dari alat ini adalah sebagai berikut:

Tipe : Satellite L645

Pembuat : Toshiba

Sistem Operasi :Windows 7 Ultimate 32-bit (6.1, Build 7600)

Processor : Intel(R) Core(TM) i3 M 370 @ 2,40 GHz

Memory : 4,00GB RAM

VGA Memory : ATI Mobility Radeon

Software Chemicalogic Steam Tab, digunakan untuk menentukan nilai entalphy, enthrophy, dan specific volume dari air atau uap berdasarkan tekanan dan temperatur. Gambar 3.5 berikut adalah gambar screenshoot dari software Chemicalogic Steam Tab


(66)

Gambar 3.6 Screenshoot Software Chemicalogic Steam Tab

Software Computer Aided Thermodynamic Table, Digunakan untuk mengetahui kondisi fasa dari fluida pada keadaan suhu, tekanan, enthalphy,dan entrophy

tertentu. Dengan software ini kita juga bisa mengetahui posisi keadaan fluida pada digram T-S. Pada Software ini tersedia berbagai macam fluida, seperti air, udara, refrigerants.Dengan memasukkan 2 kondisi fluida, seperti suhu dan tekanan atau tekanan dan enthalphy maka kita kan mengetahui properti lengkap dari fluida tersebut lengkap dengan posisi nya pada keadaan tersebut di diagram T-S. Gambar 3.7 berikut merupakan gambar Screenshoot Software Computer Aided Thermodynamic Table


(67)

Gambar 3.7 Screenshoot Software Computer Aided Thermodynamic Table

Software Refprop, Digunakan untuk membuat digram T-S Siklus Rankine Aktual dari sistem Pembangkit Tenaga Uap di PT. Pertamina (Persero) RU IV Cilacap. Gambar 3.8 berikut merupakan gambar Screenshot Software Refprop


(68)

3.2.2 Bahan

Bahan yang digunakan adalah data yang diperoleh dari unit Utilities complex dan unit

Energy Conservation and Loss ControlPT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap, serta data-data dari pustaka yang dibutuhkan untuk mendukung penelitian.

Data yang digunakan dalam penelitian ini terbagi dua, yaitu

a. Data primer, merupakan data yang diperoleh dari SPTU PT. Pertamina (PERSERO)

Refinery Unit IV Cilacap, seperti: spesifikasi lengkap turbin dan generator, spesifikasi boiler, spesifikasi kondensor, spesifikasi deaerator, spesifikasi pompa, dan data tekanan,suhu,dan flow rate pada masing-masing komponen SPTU.

b. Data sekunder, merupakan data yang bersumber dari pustaka-pustaka yang mendukung penelitian, seperti tabel sifat yang diperlukan dalam perhitungan, rumus-rumus dalam menghitung analisis energi dalam sistem pembangkit tenaga uap, dan rumus menghitung efisiensi termal pada siklus pembangkit tenaga uap.

3.3Prosedur Penelitian

Dalam melakukan penelitian tugas akhir ini metode yang penulis gunakan adalah metode survey. Dimana didalam hal ini penulis langsung melakukan survey kePLTU PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit Cilacap IV untuk mengumpulkan data-data dalam menghitung daya dan efisiensi pada siklus rankine sistem pembangkit tenaga uap. Langkah-langkah yang penulis lakukan dalam penelitian ini adalah :

1. Studi Literatur

Studi literatur yang penulis lakukan adalah mencari bahan-bahan yang berkaitan dengan sistem pembangkit tenaga uap dan komponen-komponen utama pada pembangkit tenaga uap.

2. Pengumpulan Data

Dalam melakukan pengumpulan data dalam penelitian ini penulis melakukan survey ke SPTU PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit Cilacap IV untuk mendapatkan data-data yang diperlukan dalam penulisan skripsi ini. Dimana data-data yang penulis butuhkan adalah sebagai berikut :


(69)

• Spesifikasi kompenen utama pada SPTU

• Data suhu, tekanan dan flow rate pada turbin uap dan generator

• Data suhu, tekanan dan flow rate pada boiler

• Data suhu, tekanan dan flow rate pada kondensor

• Data suhu, tekanan dan flow rate pada pompa

• Data suhu, tekanan dan flow ratepada deaerator

Pengambilan data berdasarkan kerja yang dilakukan siklus pada saat kondisi beban yang sudah ditentukan.

Tabel 3.1 Data Pengamatan Boiler Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Boiler

Temperatur air

masuk 157,6 157,8 159 160

o

C Tekanan air masuk

boiler 60,9 59,86 59,73 59,7 Kg/��

2

Tekanan uap

keluar boiler 60,9 59,86 59,73 59,7 Kg/��

2

Temperatur uap

keluar boiler 460,5 461,98 462,73 463,86

o

C

Flow rate uap

keluar boiler 81,45 85,79 92,19 95,8 Ton/jam

Flow rate uap


(70)

Tabel 3.2 Data Pengamatan Turbin Uap Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Turbin Uap

Temperatur uap

masuk turbin 460,5 461,98 462,73 463,86

o

C Tekanan uap

masuk turbin 60,9 59,86 59,73 59,7 Kg/��

2

Flow rate uap

masuk turbin 81,45 85,79 92,19 95,8 Ton/jam Temperatur uap

ekstraksi 265 265 265 265

o

C Tekanan uap

ekstraksi 4 4 4 4 Kg/��

2

Flow rate uap

ekstraksi 11,55 12,1 13,12 13,66 Ton/jam

Temperatur kondensat keluar

turbin

52 52,05 51,95 52 oC

Tekanan kondensat keluar

turbin

- 67,81 - 68,28 - 67,50 - 68,08 cmHg

Flow rate

kondensat keluar turbin


(71)

Tabel 3.3 Data Pengamatan Kondenser Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Konde nsor

Temperatur

kondensat masuk 52 52,05 51,95 52

o

C Tekanan kondensat

masuk -67,81 - 68,28 - 67,50 -68,08 cmHg

Flow rate

kondensat masuk 69,9 73,69 79 82,14 Ton/jam

Temperatur keluar

kondensor 47,6 47,8 48 48

o

C Tekanan keluar

kondensor 1,75 1,75 1,75 1,75 Kg/��

2

Flow rate keluar

kondensor 69,67 73,46 78,74 81,86 Ton/jam

Tabel 3.4 Data Pengamatan Pompa BFW Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Pompa BFW

Tekanan suction 1,75 1,75 1,75 1,75 Kg/��2 Tekanan

discharge 4,0876 4,173 4,395 4,395 Kg/��

2


(72)

Tabel 3.5 Data Pengamatan BFW Tank Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan

15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

BFW

Tank

Temperatur di

dalam tank 47,67 47,87 48,06 48,08

o

C

Flow rate masuk

tank 69,67 73,46 78,74 81,86 Ton/jam

Level BFW tank 48,19 48,18 48,31 49,35 %

Flow rate make up water

0,23 0,23 0,26 0,28 Ton/jam

Flow rate keluar tank

69,9 73,69 79 82,14 Ton/jam

Tabel 3.6 Data Pengamatan Pompa Deaerator Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Pompa Deaerator

Tekanan suction 0,221 0,221 0,222 0,222 Kg/��2 Tekanan

discharge 7,6 7,63 7,85 7,77 Kg/��

2


(73)

Tabel 3.7 Data Pengamatan Deaerator Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Deaerator

Temperatur air

masuk 47,67 47,87 48 48

o

C

Flow rate air masuk deaerator

69,6 73,69 79 82,14 Ton/jam

Tekanan uap pemanas deaerator

3,92 3,92 3,92 3,92 Kg/��2

Flow rate uap pemanas deaerator

11,55 12,1 13,12 13,66 Ton/jam

Temperatur uap pemanas deaerator

265 265 265 265 oC

Temperatur air keluar deaerator

142,4 142 142,8 143 oC

Flow rate air keluar deaerator

81,45 85,79 92,12 95,80 Ton/jam

Tabel 3.8 Data Pengamatan Pompa Boiler Unit

Sistem Jenis data

Data Pengamatan

Satuan 15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Pompa Boiler

Tekanan suction 3,92 3,92 3,92 3,92 Kg/��2 Tekanan

discharge 85,64 86,25 89,48 89,5 Kg/��

2


(74)

Tabel 3.9 Data Pengamatan Economizer

Unit Sistem Jenis data Data Pengamatan Satuan

15 MW 16 MW 17 MW 18 MW

Economizer

Tekanan masuk economizer

60,9 59,86 59,73 59,7 Kg/��2

Temperatur masuk economizer

142,4 142 142,8 143 oC

Flow rate

masuk economizer

81,45 85,79 92,12 95,8 Ton/jam

Temperatur keluar economizer

157,6 157,8 159 160 oC

Flow rate

keluar economizer

81,45 85,79 92,12 95,8 Ton/jam

3.4 Analisa Data

Setelah mendapatkan data-data yang diperlukan penulis kemudian melakukan analisa dari data yang didapat sesuai dengan study literatur yang sudah dibuat sebelumnya. Dari hasil analisa data kemudian akan didapatkan efisiensi termal siklus rankine dan faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi siklus rankine SPTU .Kemudian faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi ini akan dianalisa lagi untuk mendapatkan efisiensi maksimum dari SPTU. Setelah menganalisa data-data dan mendapatkan hasil penulis juga tidak lupa memberikan saran untuk perbaikan untuk meningkatkan efisiensi termal pada SPTU tersebut. Beberapa hal yang penulis analisa didalam skripsi ini adalah sebagai berikut :

• Menentukan daya yang dihasilkan oleh turbin uap

• Menganalisa kondisi aliran pada siklus rankine turbin uap

• Menentukan efisiensi termal SPTU

• Faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi siklus rankine SPTU


(75)

3.5 Skema Alur Pengerjaan Skripsi

Gambar 3.9 Alur pengerjaan skripsi Mulai

Survey

Analisa data

• Menentukan daya yang dihasilkan turbin uap

• Mnganalisis kondisi aliran pada siklus rankine

• Menghitung efisiensi siklus

• Menganalisa jumlah pemakaian bahan bakarpadaSPTU

Hasil

Kesimpulan

Selesai

Ya

Tidak

Study Literatur

Pengambilan Data


(76)

BAB IV

ANALISIS DATA

4.1 Siklus Rankine Aktual

Sebuah pembangkit daya uap tidak dapat bekerja dalam keadaan ideal seperti yang digambarkan pada siklus Rankine Ideal, Sebab pada kenyataannya terdapatpenyimpangan dalam siklus rankine akibat adanya kerugian-kerugian yang terjadi karena :

• Kerugian dalam tube

• Kerugian dalam boiler

• Kerugian energi dalam turbin

• Kerugian dalam pompa

• Kerugian dalam kondenser

Pada siklus rankine ideal hal-hal tersebut diabaikan untuk mempermudah proses perhitungan dan analisis energi.

Siklus Rankine aktual pada SPTU di PT. Pertamina RU IV terdiri dari 10 tahapan proses yaitu :

1-2 Proses pemompaan fluida dari tanki pemanas air umpan ke deaerator 2-3 Proses deaerasi pada deaerator

3-4 Proses pemompaan fluida dari deaerator ke boiler 4-5 Proses pemanasan pada economizer

5-6 Proses penambahan kalor pada boiler 6-7 Proses ekspansi pada turbin

6-8 Proses ekstraksi pada turbin uap 8-9 Proses pelepasan kalor pada kondensor

9-10Proses pemompaan fluida dari kondensor ke tanki pemanas air umpan 11 Proses penambahan make up water ke tanki pemanas air umpan


(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Dokumen yang terkait

Analisa Pemakaian Economizer Terhadap Peningkatan Efisiensi dan Penghematan Bahan Bakar Boiler 052 B101 Unit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap

76 369 76

ANALISIS KOORDINASI PROTEKSI RELAI ARUS LEBIH PADA SISTEM DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK DI PT. PERTAMINA (PERSERO) REFINERY UNIT IV CILACAP

0 3 18

ANALISIS KOORDINASI PROTEKSI RELAI ARUS LEBIH PADA SISTEM DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK DI PT. PERTAMINA (PERSERO) REFINERY UNIT IV CILACAP

5 31 225

ANALISIS MANAJEMEN PUBLIC RELATIONS PT. PERTAMINA (PERSERO) REFINERY UNIT IV CILACAP PADA TAHAP RESOLUSI KRISIS KECELAKAAN (Studi kasus pada peristiwa Kebakaran Kilang Minyak PT. PERTAMINA (PERSERO) REFINERY UNIT IV CILACAP, Tahun 2011).

0 0 1

Implementasi sistem manajemen kesetan radiasi pengion di area rfcc pt pertamina (persero) refinery unit iv Cilacap COVER

0 0 12

Evaluasi pedoman penanggulangan keadaan darurat di pt pertamina (persero) refinery unit iv Cilacap COVER TA

1 1 11

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Pembangkit Listrik - Analisa Pemakaian Economizer Terhadap Peningkatan Efisiensi dan Penghematan Bahan Bakar Boiler 052 B101 Unit Pembangkit Tenaga Uap PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap

0 1 30

BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Analisa Efisiensi Siklus Rankine Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap

0 4 40

Analisa Efisiensi Siklus Rankine Pada Sistem Pembangkit Tenaga Uap di PT. Pertamina (PERSERO) Refinery Unit IV Cilacap

0 2 17

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sistem Pembangkit Tenaga Uap - Analisa Kerugian Head Sistem Distribusi Air Umpan Boiler Di PT.Pertamina (Persero) Refinery Unit IV Cilacap DenganMenggunakan Software Pipe Flow Expert v6.39

0 1 27