analisis kesetimbangan energi dan eksergi

Marten Paloboran, Analisis Kesetimbangan Energi pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009
ANALISIS KESETIMBANGAN ENERGI DAN EKSERGI
PADA EKONOMISER KETEL UAP PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
TELLO MAKASSAR
Marthen Paloboran
Fakultas Teknik Universitas Negeri Makassar
Abstrak
Ekonomiser adalah salah satu jenis alat penukar kalor pada ketel uap yang digunakan untuk
menaikkan temperatur air pengisi ketel dengan memanfaatkan panas gas buang. Pada instalasi ketel
uap PLTU Tello Makassar air dari High Pressure Heater (HPH) dengan temperatur 162oC masuk ke
ekonomiser dan keluar pada temperature 182oC.. Kenaikan temperatur ini akan mengurangi beban
ketel sehingga meningkatkan effisiensinya. Laju perpindahan energi yang didasarkan pada hukum
termodinamika pertama menyatakan kondisi perubahan entalpi air pada saat masuk dan keluar
ekonomiser, sedangkan perpindahan eksergi pada ekonomiser menggambarkan potensi energi yang
dapat dibangkitkan serta eksergi yang musnah pada saat proses berlangsung.
Kata kunci: Ekonomiser, Energi, Eksergi.
Panas gas buang yang dihasilkan dari
proses pembakaran bahan baker dan udara
dalam ketel uap masih sangat tinggi, sehingga
jika langsung dibuang ke cerobong akan
menimbulkan kerusakan dan pencemaran
lingkungan serta kerugian pada pembangkit itu
sendiri.
Memasang
komponen-komponen
tambahan pada instalasi ketel uap dengan
rsmemanfatkan panas gas buang adalah upaya
untuk menaikkan effisiensi ketel uap. Pada
instalasi ketel uap Tello Makassar dilengkapi
dengan beberapa alat penukar kalor (heat
exchanger) yaitu; ekonomiser, evaporator,
superheater dan air heater. Evaporator adalah
komponen utama ketel uap untuk proses
perubahan fasa dari air menjadi uap, terdiri dari
pipa-pipa penguapan yang letaknya setelah
ruang bakar sehingga komponen ini akan
mengalami proses perpindahan panas terbesar di
dalam ketel. Superheater dalam ketel digunakan
untuk memperbaiki kualitas uap basah menjadi
uap kering yang akan dimanfaatkan oleh turbin
dan ekonomiser untuk menaikkan temperature
air sebelum masuk ke pipa evaporator.
Sementara itu air heater adalah alat penukar
kalor untuk menaikkan temperatur
udara
pembakaran.
Pemahaman energi melalui hukum
pertama termodinamika dapat dijelaskan dengan
menggunakan konsep interaksi kerja. Pada
proses adiabatik dalam sistem tertutup satu
keadaan
kesetimbangan dapat diubah
menuju ke kesetimbangan lain namun tidak
terjadi perpindahan kalor dari sistem
kelingkungannya, sehingga kerja netto yang
dihasilkan dari dua keadaan tersebut menjadi
sama. Dengan demikian kerja netto yang
dilakukan pada atau oleh sistem tertutup hanya
bergantung pada keadaan awal dan akhirnya saja
dan dituliskan dalam persamaan:
E 2 - E 1 = - Wad
(1)
Sebuah sistem tertutup tidak saja dapat
berinteraksi dengan lingkungannya melalui kerja
tetapi juga melalui interaksi termal (kalor), yang
biasa disebut dengan proses non-adiabatik,
sehingga perubahan energi sistem yang terjadi
pada dua keadaan tidak saja sama dengan kerja
yang dihasilkan atau diberikan pada sistem
tetapi juga memperhitungan besarnya kalor yang
masuk atau keluar sistem. Dengan demikian
untuk proses adiabatik perubahan energi yang
terjadi pada dua keadaan kesetimbangan
dituliskan menjadi:
E 2 - E1 = Q - W
(2)
Dalam termodinamika perubahan energi
terdiri dari tiga komponen yaitu: energi
potensial (berkaitan dengan posisi sistem secara
keseluruhan dalam medan gravitasi bumi),
energi kinetik (berkaitan dengan pergerakan
sistem terhadap kerangka koordinat eksternal)
dan energi dalam, sehingga perubahan energi
Marten Paloboran, Analisis Kesetimbangan Energi pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
total sistem diberikan dengan persamaan:
E2 -E1 = (EK2 - EK1 ) +(EP2 - EP1 ) +(U2 - U1 )
atau:
ΔE = ΔEK + ΔEP + ΔU
(3)
Sehingga persamaan (2) dapat dituliskan
dalam bentuk,
Q - W = ΔEK + ΔEP+ ΔU
(4)
Dan
kesetimbangan
energi
yang
didasarkan pada laju perubahan waktu adalah:
·
·
Q - W=
dEK dEP dU
+
+
dt
dt
dt
(5)
Proses perpindahan energi yang terjadi
pada sebuah siklus termodinamika tidak terlepas
dari jumlah aliran massa zat yang masuk dan
keluar dari sistem dan membawa energi tersebut,
sehingga untuk memudahkan menganalisis
jumlah massa zat yang mengalir digunakan satu
daerah di dalam ruang dimana zat tersebut
mengalir melaluinya, atau disebut volume atur.
Dengan demikian laju kesetimbangan
energi yang menyertai perpindahan massa pada
volume kontrol adalah:
2
·
·
· æ
ö
dE cv
Vi
= Q cv - Wcv + å m i ç h i +
+ gz i ÷
÷
ç
dt
2
i
ø
è
2
æ
ö
Ve
ç
- å me h e +
+ gz e ÷
ç
÷
2
e
è
ø
·
(6)
Wrev = m [(h inlet - h exit ) - To (Sinlet - Sexit )]
(8)
sedangkan kerja berguna (Wu) adalah
representasi antara kerja aktual dan kerja
terhadap sekeliling berupa kerja mekanis dan
perpindahan panas, dengan persamaan:
Wu = m(h inlet - h exit ) - Q atau
Dengan mengabaikan energi kinetik dan energi
potensial pada sistem, maka kesetimbangan
energi pada pada ekonomiser adalah:
h1 - h2 = Qout + (hA - hB )
kondisi awalnya melalui proses yang spontan
pula tetapi melalui peralatan tambahan untuk
mengubah kondisi sekelilingnya yang bersifat
permanen ke kondisi yang diinginkan. Tidak
semua proses yang terjadi memenuhi prinsip
kekekalan
energi,
sehingga
persamaan
kesetimbangan energi tidak cukup memadai
memperkirakan arah proses yang dikehendaki
serta tidak dapat menentukan proses mana yang
dapat terjadi dan tidak dapat terjadi. Untuk
kasus-kasus yang cukup kompleks seperti ini,
penerapan hukum termodinamika kedua dapat
membantu mencari solusi dari persoalan
tersebut.
Penggunaan hukum termodinamika kedua
tidak hanya sebatas dapat menentukan arah
proses saja, tetapi juga menegaskan kuantitas
energi sebaik dengan kualitasnya.
Kuantitas yang berhubungan dengan
keadaan awal dan akhir dari proses aktual dalam
analisis sistem dan komponen termodinamika
adalah kerja reversibel dan irreversibilitas. Kerja
reversibel (Wrev) adalah kerja berguna
maksimum yang dihasilkan oleh sistem yang
mengalami proses antara keadaan awal dan
akhir dengan persamaan:
(7)
Dimana:
h 1 = entalpi gas masuk ekonomiser (kJ/kg)
h 2 = entalpi gas keluar ekonomiser (kJ/kg)
h A = entalpi air keluar ekonomiser (kJ/kg)
h B = entalpi air masuk ekonomiser (kJ/kg)
Q out = energi yang tidak terserap oleh air
(kJ/kg)
Proses-proses yang terjadi di alam secara
spontan mempunyai arah proses yang tertentu
dan pasti, dengan demikian proses yang terjadi
secara spontan tidak dapat dikembalikan ke
Wu = m(h inlet - h exit ) - P(V2 - V1 )
(9)
Dengan demikian perbedaan antara kerja
reversibel dan kerja berguna adalah irreversibel
yang dinyatakan dengan persamaan:
I = W u, in - W rev, in
I = Wrev, out - W u, out ,
atau
(10)
Proses irreversibel disebabkan oleh
gesekan, ekspansi gas atau fluida yang tak
terkendali,
pencampuran
dua
fluida,
perpindahan
panas
melalui
perbedaan
temperatur yang terbatas, tahanan listrik, reaksi
kimia, deformasi benda padat yang tidak elastis.
Proses
perpindahan
eksergi
selalu
menyertakan konstribusi lingkungan sistem
dimana proses tersebut berlangsung, sehingga
laju perpindahan eksergi pada ekonomiser
adalah:
MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009
ψ n = {(h n - h o ) - To (S n - S o ) }
(11)
hair
ψ n = laju eksergi materi/zat yang
masuk/keluar ekonomiser (kJ/kg)
entalpi materi/zat yang masuk/keluar
ekonomiser (kJ/kg)
entalpi materi/zat pada kondisi
referensi (kJ/kg)
entropi materi/zat yang masuk/keluar
ekonomiser (kJ/kg)
entropi materi/zat yang masuk/keluar
ekonomiser (kJ/kg)
hn =
ho =
Sn =
So =
Sedangkan kesetimbangan
ekonomiser adalah;
eksergi
x IN - x OUT - x DES = O
pada
(12)
Dimana :
X in
=
X out =
X des =
jumlah laju aliran eksergi yang
masuk ekonomiser (kJ/kg)
jumlah laju aliran eksergi yang
keluar ekonomiser (kJ/kg)
jumlah laju aliran eksergi yang
musnah (kJ/kg)
Tabel 1. Perbandingan analisis energi dan
eksergi pada ekonomiser ketel uap PLTU Tello
hin
hout
Air/
Uap
10073.
9996
11366
.856
Gas
12064.
764
10059
.7
Analisis Eksergi
Qout
712.
212
12064.764kW
hgas
10059.70kW
QOut
712.212kW
Gambar 1. Diagram Sankey Kesetimbangan
Energi Pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
Makassar
yair
1531.856 kW
yGas
3148.66 kW
yuap
1963.0757 kW
ygas
2256.796 kW
460.6477 kW
Hasil analisis energi dan eksergi
menunjukkan bahwa pemanfaatan ekonomiser
pada ketel uap PLTU Tello Makassar cukup
efektif untuk memanfaatkan sisa gas buang
hasil pembakaran. Perbandingan analisis energi
dan eksergi pada ekonomiser ketel uap PLTU
Tello Makassar ditunjukkan pada tabel 1.
Analisis Energi
11366.856kW
ydes
HASIL DAN PEMBAHASAN
Mat
eri
hgas
huap
EKONOMISER
10073.9996kW
EKONOMISER
Dimana :
yin
yout
1531.
856
1963.
0757
3148.
66
2256.
796
ydes
460.6
477
Besarnya laju aliran energi dan eksergi
pada ekonomiser ketel uap Tello Makassar dapat
dilihat pada gambar diagram Sankey dan
Grassman di bawah ini.
Gambar 2. Diagram Grassman Kesetimbangan
Eksergi Pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU
Tello Makassar
SIMPULAN DAN SARAN
Perbedaaan yang signifikaran tentang
performansi ekonomiser pada Ketel Uap PLTU
Tello Makassar terlihat jelas pada dua gambar di
atas. Nilai energi (gambar 1) yang dihasilkan
dari analisis hukum termodinamika pertama jauh
lebih besar karena proses tersebut hanya
memperhitungkan kondisi awal dari proses
tanpa melibatkan aliran materi lain yang terjadi
selama proses tersebut berlangsung. Sementara
itu nilai eksergi (gambar 2) yang dihitung
berdasarkan prinsip hukum termodinamika
kedua adalah menyatakan potensi energi
maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah
komponen memperhitungkan semua variabel
Marten Paloboran, Analisis Kesetimbangan Energi pada Ekonomiser Ketel Uap PLTU Tello
sistem dan lingkungan yang terlibat dalam
proses sehingga nilainya lebih kecil.
Eksergi yang hilang pada proses
perpindahan panas pada ekonomiser disebabkan
adanya sifat irreversibel (tidak mampu balik)
yang ditandai dengan produksi entropi yang
besar,
sehingga
untuk
meningkatkan
pemanfaatan energi pada proses tersebut adalah
dengan mengurangi eksergi yang musnah.
Berbeda dengan energi, eksergi bersifat tidak
kekal dan untuk mengurangi eksergi yang
musnah dengan memperbaiki konstruksi dan
instalasi ekonomiser pada ketel uap serta
meminimalisir proses spontan yang menuju ke
lingkungan sistem dengan insulator yang baik.
Himran, Syukri. H. 2007.
Materi Kuliah
Eksergi. Makassar. Program Magister
Pascasarjana Unhas.
DAFTAR PUSTAKA
Nag, P. K. 2001. Power Plant Engineering,
Second Edition. Mc Graw Hill.
Kotas, T. J. 1995. The Exergy Method of
Thermal Plant Analysis. Malabar.
Florida. Krieger Publishing Co.
Moran, M. J. and Shapiro, H. N.2000.
Termodinamika Teknik. Edisi 4. Jilid 1.
Terjemahan oleh Yulianto Sulistyo
Nugroho. 2004. Universitas Indonesia.
Erlangga.
Moran, M. J. and Shapiro, H. N.2000.
Termodinamika Teknik. Edisi 4. Jilid 2.
Terjemahan oleh Yulianto Sulistyo
Nugroho. 2004. Universitas Indonesia.
Erlangga.
Bejan, A., Tsatsaronis, G. And Moran, M. J.
1996.
Thermal
Design
and
Optimization. John Wiley And Sons,
Inc.
Pedoman Penulisan Tesis dan Disertasi. Edisi 4.
2006. Makassar. Program Pascasarjana
Universitas Hasanuddin
Cengel, Y. A. and Boles, M. A. 2002.
Thermodinamics, An
Engineering
Approach, Fourth Edition, Mc Graw
Hill.
Tsatsaronis, G. And Cziesla, F. 2000.
Thermodinamics.
Encyclopedia
of
Pysical and Technology, Third Edition,
Vol. 16.
Cengel, Y. A. and Boles, M. A. 2005.
Thermodinamics, An
Engineering
Approach, Fifth Edition, Mc Graw Hill.
Tsatsaronis, G. And Krane, R. J. 1994. Cost
Savings Through Exergy Analisys and
Exergoeconomics. Annual meeting
National
Petroleum
Refiners
Association. Convention Centre. San
Antonio, Texas. March. 20-22.
Djokosetyardo, M. J, Ir, 1990. Ketel Uap. PT.
Pradnya Paramita, Jakarta
Harjanto, S. 2001. Hukum Thermodinamika,
Eksergi dan Kebijakan Energi. Jurnal
Dimensi. Volume 4. Nomor 1. 35-39.
Wakil-El, M. M. 1985. Powerplant Technology.
McGraw-Hill Book Company.