Buku 1 Termodinamika

PENGOPERASIAN BOILER

[B.1.1.1.01.3]

Edisi I Tahun 2013

i

PENGOPERASIAN BOILER (B.1.1.1.01.3)

TUJUAN PEMBELAJARAN : Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta mampu

mengoperasikan peralatan boiler PLTU sesuai

prosedur standar operasi/instruksi kerja (SOP/IK)

DURASI : 76 JP / 10 HARI EFEKTIF

TIM PENYUSUN : 1. EFRI YENDRI

2. GAMA AJIYANTONO

3. ANUGRA PUTRA P

TIM VALIDATOR : 1. RODI CAHYAWAN

2. MURDANI

3. WINOTO

4. HAULIAN SIREGAR

ii

SAMBUTAN

CHIEF LEARNING OFFICER

PLN CORPORATE UNIVERSITY

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas rahmat, taufik dan hidayahNya

penyusunan materi pembelajaran ini bisa selesai tepat pada waktunya.

Seiring dengan metamorfosa PLN Pusdiklat sebagai PLN Corporate University, telah disusun

beberapa materi pembelajaran yang menunjang kebutuhan Korporat. Program pembelajaran ini disusun

berdasarkan hasil Learning Theme beserta Rencana Pembelajaran yang telah disepakati bersama dengan

LC (Learning Council) dan LSC (Learning Steering Commitee) Primary Energy & Power generation

Academy. Pembelajaran tersebut disusun sebagai upaya membantu peningkatan kinerja korporat dari

sisi peningkatan hard kompetensi pegawai.

Dengan diimplementasikannya PLN Corporate University, diharapkan pembelajaran tidak hanya

untuk meningkatkan kompetensi Pegawai, namun juga memberikan benefit bagi Bussiness Process

Owner sesuai dengan salah satu nilai CORPU, yaitu Performing. Akhir kata, semoga buku ini dapat

bermanfaat bagi insan PLN.

Jakarta, Desember 2013

Chief Learning Officer

SUHARTO

iii

KATA PENGANTAR

MANAJER PLN PRIMARY ENERGY & POWER GENERATION ACADEMY

PLN CORPORATE UNIVERSITY

Puji syukur ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat, taufik serta hidayahnya,

sehingga penyusunan materi pembelajaran Pengoperasian Boiler ini dapat diselesaikan dengan baik

dan tepat pada waktunya.

Materi ini merupakan materi yang terdapat pada Direktori Diklat yang sudah disahkan oleh

Direktur Pengadaan Strategis selaku Learning Council Primary Energy & Power Generation Academy.

Materi ini terdiri dari 9 buku yang membahas mengenai Termodinamika, Logic & Sequence, Boiler, Jenis-

Jenis Katup, Teknik Pengukuran Dan Pengaturan, Pengoperasian Boiler, Efisiensi Boiler, Pelaporan Dan

Petunjuk Praktek Pengoperasian Boier (Simulator), sehingga diharapkan dapat mempermudah proses

belajar dan mengajar di Primary Energy dan Power Generation Academy bagi pegawai dalam melakukan

Pengoperasian Boiler.

Akhir kata, Pembelajaran ini diharapkan dapat membantu meningkatkan kinerja unit

operasional dan bisa menunjang kinerja ekselen korporat. Tentunya tidak lupa kami mengucapkan

terima kasih kepada semua Katupihak yang telah terlibat dalam penyusunan materi pembelajaran ini.

Saran dan kritik dari pembaca/siswa sangat diharapkan bagi penyempurnaan materi ini.

Suralaya, Desember 2013

M. IRWANSYAH PUTRA

iv

DAFTAR BUKU PELAJARAN

Buku 1

Temodinamika

Buku 2

Logic dan Squence

Buku 3

Boiler

Buku 4

Vent dan Katup

Buku 5

Teknik Pengukuran dan Pengaturan

Buku 6

Pengoperasian Boiler

Buku 7

Efisiensi Boiler

Buku 8

Pelaporan

Buku 9

Praktek Pengoperasian Boiler (simulator)

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal v

BUKU I

TERMODINAMIKA

TUJUAN PELAJARAN : Setelah mengikuti pelajaran ini peserta mampu

memahami pengetahuan dasar tentang termodinamika

pada pengoperasian boiler.

DURASI : 8 JP

PENYUSUN : 1. EFRI YENDRI

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal vi

DAFTAR ISI

TUJUAN PEMBELAJARAN ......................................................................................................... i

SAMBUTAN................................................................................................................................ ii

KATA PENGANTAR .................................................................................................................. iii

DAFTAR BUKU PELAJARAN .................................................................................................... iv

TUJUAN PELAJARAN ................................................................................................................ v

DAFTAR ISI ............................................................................................................................... vi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................... vii

1. PROSES PRODUKSI UAP PANAS LANJUT....................................................................... 1

2. TABEL UAP ......................................................................................................................... 3

3. TEMPERATUR - ENTROPI ................................................................................................. 5

3.1. Pengaruh Tekanan Terhadap Titik Didih ................................................................ 5

3.2. Derajat Kekeringan Uap (Dryness Fraction) ........................................................... 7

3.3. Titik Kritis .............................................................................................................. 8

3.4. Luas Daerah Dalam Diagram Ts .......................................................................... 10

4. SIKLUS CARNOT DAN SIKLUS RANKINE SEDERHANA ................................................ 11

5. SIKLUS RANKINE SUPERHEAT DAN SUPERHEAT-REHEAT ....................................... 17

5.1. Siklus Rankine Superheat .................................................................................... 17

5.2. Siklus Rankine Superheat-Reheat ........................................................................ 20

6. PERPINDAHAN PANAS .................................................................................................... 25

6.1. Mekanisme Perpindahan Panas. .......................................................................... 25

6.2. Pengaruh Deposit Pada Perpindahan Panas ....................................................... 28

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Perubahan Temperatur Pada Tekanan Tetap Saat Pemanasan Air ........................... 2

Gambar 2 Proses Penguapan Dalam Sumbu Temperatur - Entropi. ........................................... 5

Gambar 3 Garis Lengkung Jenuh (Saturation Line) .................................................................... 6

Gambar 4 Proses Perubahan Fase ............................................................................................ 7

Gambar 5 Titik Kritis ................................................................................................................... 9

Gambar 6 Luas Daerah Dalam Diagram T.s ............................................................................. 10

Gambar 7 Komponen Dalam Siklus PLTU ................................................................................ 11

Gambar 8 Siklus Carnot Sederhana ......................................................................................... 12

Gambar 9 Siklus Rankine Sederhana ....................................................................................... 14

Gambar 10 Siklus Rankine Superheat ...................................................................................... 18

Gambar 11 Siklus Rankine Superheat Reheat .......................................................................... 21

Gambar 12 Mekanisme Perpindahan Panas............................................................................. 25

Gambar 13 Perpindahan Panas Konduksi ................................................................................ 26

Gambar 14 Perpindahan Panas Konveksi ................................................................................ 27

Gambar 15 Tahanan Termal pada Deposit ............................................................................... 28

Simple Inspiring PerformIing Phenomenal 1

TERMODINAMIKA

1. PROSES PRODUKSI UAP PANAS LANJUT

Seperti diketahui bahwa fluida kerja yang dipakai untuk siklus PLTU adalah air. Secara

alamiah, air dapat eksis dalam 3 wujud yaitu : dalam wujud padat (es), dalam wujud cair (air)

dan dalam wujud gas (uap). Adapun parameter yang mempengaruhi wujud fluida kerja

adalah tekanan dan temperatur. Sebagai contoh, pada tekanan atmosfir standard, air

dibawah temperatur 0 0C akan berwujud padat (es) sedang antara 00C sampai 100 0C akan

berwujud cair, dan diatas 100 0C akan berwujud gas (uap).

Tepat pada temperatur 0 0C, air dapat berada dalam wujud padat maupun cair sedangkan

tepat pada 100 0C ia dapat berwujud cair maupun gas. Wujud yang pasti pada saat tepat

berada pada kedua temperatur tersebut ditentukan oleh kandungan energi dalam (internal

energy) fluida.

Temperatur dimana fluida dapat eksis dalam 2 wujud disebut Temperatur Transisi yaitu

temperatur dimana terjadi perubahan fase. Untuk merubah temperatur dan fase, maka

energi panas harus ditambahkan atau dikeluarkan dari fluida.

Karena selama dalam siklus PLTU fluida kerja hanya akan berada dalam 2 wujud yaitu cair

dan gas, maka pembahasan pada pembahasan ini hanya akan dikonsentrasikan pada

transformasi yang terjadi diantara kedua wujud tersebut, merupakan ilustrasi dari

perubahan-perubahan yang terjadi manakala air dipanaskan dalam tekanan tetap.


Gambar 1 Perubahan Temperatur Pada Tekanan Tetap Saat Pemanasan Air

Titik A adalah kondisi air pada tekanan atmosfir dimana temperaturnya adalah temperatur

atmosfir (t1). Bila dalam kondisi ini kemudian ditambahkan sejumlah energi panas dalam

fluida, maka fluida akan mengalami kenaikkan temperatur. Kalau energi panas yang

ditambahkan sebesar X1, kondisi air akan berubah dari A ke B dan temperaturnya berubah

dari t1 ke t2. Titik B adalah titik dimana air mulai mendidih (titik didih). Fraksi panas (X1) yang

diperlukan untuk mengubah temperatur air hingga mencapai titik didih disebut panas

sensibel (sensible heat).

Pada titik B seluruh massa fluida dalam fase cair dan mulai mendidih. Setelah mencapai titik

didih sementara pemberian energi panas tetap dilanjutkan, ternyata temperatur tidak

mengalami perubahan. Dalam kondisi ini, energi panas yang diberikan dipakai untuk

merubah fase air menjadi uap dimana proses ini terus berlangsung dalam temperatur tetap

sampai titik C. Pada titik C, seluruh massa fluida telah berada pada fase gas (uap). Jumlah

panas yang dibutuhkan untuk merubah fase cair menjadi fase gas/uap disebut panas

penguapan. Karena selama perubahan fase berlangsung temperaturnya tetap konstan,

maka energi panas yang dimasukkan akan tersimpan menjadi energi dalam yang

tersembunyi. Itulah sebabnya fraksi panas yang dibutuhkan untuk merubah fase dari cair

menjadi uap (X2) disebut panas laten (tersembunyi) yang umum disebut panas laten

penguapan (latent heat of evaporation).

Kondisi uap yang tepat berada pada titik C disebut uap kering atau uap jenuh (saturated

steam). Setelah mencapai titik C dan pemberian panas tetap dilanjutkan, maka temperatur

uap akan mengalami kenaikkan. Besarnya kenaikkan temperatur sebanding dengan


besarnya panas yang diberikan. Dalam contoh seperti pada gambar bila diberikan panas

sejumlah X3, ternyata temperatur uap akan naik hingga titik D dengan temperatur t3.

Uap yang memiliki temperatur lebih tinggi dari titik didihnya disebut uap panas lanjut

(superheater steam). Fraksi panas yang diperlukan untuk mengubah uap jenuh menjadi uap

panas lanjut juga disebut panas sensibel. Tetapi karena fraksi panas ini terjadi pada fase

uap, maka untuk membedakannya dengan fraksi panas sensibel yang tejadi pada fase cair,

selanjutnya fraksi panas ini disebut superheat.

Pada berbagai literatur , perbedaan antara temperatur uap panas lanjut dengan temperatur

uap jenuh sering disebut istilah derajat panas lanjuy (degre of superheat). Jadi uap dalam

kondisi 550C Superheat artinya adalah bahwa temperatur uap tersebut adalah 55 0C lebih

tinggi dari titik didihnya.

Dalam konteks termodinamika, kita seringkali dituntut untuk mengetahui berapa besar panas

yang terkandung dalam air atau uap pada kondisi tertentu. Dari uraian dalam gambar terlihat

jelas bahwa besarnya panas yang dikandung oleh air yang mulai mendidih (titik B) adalah

sebesar X1. Besarnya panas laten penguapan adalah X2. Dengan demikian maka panas

yang dikandung oleh uap jenuh (titik C) adalah sebesar X1 + X2. Sedangkan panas yang

dikandung oleh uap panas lanjut (titik D) adalah X1 + X2 + X3.

2. TABEL UAP

Melalui serangkaian percobaan yang dilakukan secara seksama, para ahli melakukan

pengamatan yang teliti dan mencatat semua parameter untuk berbagai kondisi percobaan.

Parameter-parameter yang dimaksud antara lain meliputi tekanan, temperatur, total

kandungan panas (entalpi), volume dan entropi.

Hasil pencatatan parameter-parameter yang dilakukan pada berbagai kondisi tersebut

kemudian ditabulasikan secara cermat dalam bentuk daftar yang dikenal dengan tabel uap.

Dengan bantuan tabel uap, maka berbagai persoalan termodinamika dapat diselesaikan

dengan relatif mudah. Adapun tabel uap yang akan dibahas pada session ini adalah tabel

uap dalam satuan SI. Sebelum membahas lebih lanjut mengenai tabel uap, ada baiknya

dibahas terlebih dahulu tentang besaran, simbol dan satuan yang dipakai yaitu :

BESARAN SIMBOL SATUAN

Tekanan P bar (10 5 N/m 2 )

Temperatur t 0C

Entalpi h KJ/kg

Entropi s KJ/kg

Volume v m3/kg


Sedangkan untuk indeks :

s = jenuh g = uap jenuh

f = cair jenuh fg = fraksi penguapan

Pada prinsipnya, tabel uap dibedakan menjadi 2 yaitu tabel uap jenuh (Saturation Line) dan

tabel uap panas lanjut (Superheated Table) yang juga mentabulasikan kondisi air dibawah

titik didih (subcooled). Tabel uap jenuh (Saturation Line) merupakan tabel yang

mentabulasikan parameter-parameter uap dan air yang kondisinya tepat berada pada garis

lengkung jenuh (Saturation Line). Cara membaca tabel uap jenuh relatif mudah yaitu cukup

mengetahui 1 besaran saja, maka besaran lainnya dapat ditemukan.

Tabel uap jenuh ada 2 macam yaitu tabel yang diurutkan berdasarkan tekanan (Tabel Uap)

dan tabel yang diurutkan berdasarkan temperatur. Lihat Lampiran Tabel Uap.

Bila yang diketahui tekanannya, maka besaran lainnya akan lebih mudah dicari dengan

menggunakan tabel uap jenuh (tekanan). Sebagai contoh misalnya kita ingin mengetahui

berapakah entalpi uap jenuh serta entalpi air mendidih (air jenuh) pada tekanan 50 bar ?.

Dengan bantuan Tabel Uap, kita cari pada kolom paling kiri tekanan 50 bar. Setelah dapat,

tempatkan penunjuk pada angka 50 dan geser secara horizontal kekanan hingga kolom hf

dan kolom hg dan diperoleh hf =1154,5 sedang hg = 2794,2. Dengan demikian terjawablah

pertanyaan diatas dimana entalpi uap jenuh (hg) pada tekanan 50 bar adalah sebesar

2794,2 KJ/Kg, sementara entalpi air jenuh (hf) pada tekanan yang sama adalah sebesar

1154,5 KJ/Kg. Melalui cara yang sama, kita juga dapat mencari harga Sg, Sf, Vf dan Vg.

Bila yang diketahui temperaturnya, maka besaran lainnya dapat dicari dengan relatif mudah

melalui tabel uap jenuh (temperatur) seperti Lampiran Tabel Uap.

Sebagai contoh misalnya kita ingin mengetahui berapakah Entropi uap jenuh (Sg) serta

volume uap jenuh (Vg) pada temperatur 170 0C ?. Dengan menggunakan Tabel Uap, cari

pada kolom paling kiri dan tempatkan penunjuk pada angka 170. Selanjutnya geser secara

horizontal kearah kanan hingga kekolom Sg dan diperoleh angka 6,6630 lalu lanjutkan geser

hingga kolom Vg dimana didapat angka 242,55. Dengan demikian diperoleh jawaban bahwa

entropi uap jenuh pada temperatur 170 0C adalah sebesar 6,6630 KJ/Kg K serta volume uap

jenuh pada temperatur 170 0C adalah 242,55 dm 3/Kg.

Tabel uap panas lanjut adalah merupakan tabulasi dari berbagai besaran yang posisinya

diluar garis lengkung jenuh. Karena itu cara membacanya juga agak berbeda. Untuk dapat

menggunakan tabel uap, minimal harus diketahui 2 besaran, baru besaran yang lainnya

dapat ditentukan. Bagi yang sudah mahir menggunakan tabel ini, sebenarnya tabel uap

jenuh sudah tidak dibutuhkan lagi. Contoh tabel ini terlihat seperti pada Tabel Uap.

Pada tabel diatas, baris yang paling atas adalah baris tekanan. Setiap nilai tekanan memiliki

serumpun harga-harga entalpi (h), entropi (s) dan volume (v). Kolom yang paling kiri

merupakan harga-harga temperatur. Sebagai contoh, kita ingin menemukan berapakah

entalpi (h) dan entropi (s) uap pada tekanan 13 bar dan temperatur 200 0C ?.


Mula-mula kita cari pada baris paling atas (baris tekanan) dan tempatkan penunjuk pada

angka 13. Dua baris dibawahnya terdapat serumpun h,s dan v untuk tekanan 13 tersebut.

Selanjutnya kita cari pada kolom paling kiri (kolom temperatur) dan tempatkan penunjuk

pada angka 200. Gerakkan penunjuk secara horizontal kearah kanan hingga memotong

kolom h pada rumpun 13 bar dan diperoleh angka 2808,0. Lanjutkan gerakan kekanan pada

rumpun yang sama sampai kolom 5 dan diperoleh angka 6,5394.

Dengan cara seperti tersebut diperoleh bahwa uap pada tekanan 13 bar dan temperatur 200 0C memiliki entalpi (h) sebesar 2808,0 KJ/Kg dan entropi (s) sebesar 6,5394 KJ/Kg K.

3. TEMPERATUR - ENTROPI

3.1. Pengaruh Tekanan Terhadap Titik Didih

Pada session terdahulu telah dibahas mengenai proses produksi uap panas

lanjut yang diilustrasikan pada sumbu temperatur - panas. Bila kemudian proses

tersebut diilustrasikan pada sumbu temperatur - entropi, ternyata pola prosesnya

sangat identik. Karena itu, pada session ini akan kita coba untuk menelaah

proses produksi uap panas lanjut dalam sumbu temperatur dan entropi seperti

terlihat pada gambar .

Gambar 2 Proses Penguapan Dalam Sumbu Temperatur - Entropi.


Gambar 2 memperlihatkan perilaku air pada tekanan atmosfir standard yang

dipanaskan hingga menjadi uap panas lanjut dimana air mulai mendidih pada

temperatur 100 0C.

Selanjutnya akan kita amati apa yang terjadi bila air tersebut dipanaskan pada

tekanan yang lebih tinggi ataupun lebih rendah dari tekanan atmosfir seperti

diilustrasikan pada gambar dibawah ini:

Gambar 3 Garis Lengkung Jenuh (Saturation Line)

Garis A - B - C - D pada gambar , merupakan proses penguapan pada tekanan

atmosfir standard dimana air mulai mendidih pada temperatur 100 0C. Bila

proses tersebut dilakukan pada tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfir,

ternyata pola garis lintasan prosesnya tetap sama hanya air akan mulai mendidih

pada temperatur lebih tinggi dari 100 0C seperti dinyatakan oleh garis E - F - G -

H. Sebaliknya bila proses dilaksanakan pada tekanan dibawah tekanan atmosfir,

pola prosesnya tetap sama hanya air akan mulai mendidih pada temperatur lebih

rendah dari 100 0C, seperti garis I - J - K - L. Berdasarkan kenyataan yang

diperoleh dari percobaan tersebut kemudian dapat disimpulkan bahwa ternyata

ada korelasi antara tekanan dengan titik didih dimana bila tekanan semakin

rendah, titik didih juga akan semakin rendah dan bila tekanan semakin tinggi,

maka air juga akan mendidih pada temperatur yang smakin tinggi. Kalau

percobaan diatas dilakukan untuk variasi tekanan yang cukup banyak, maka

akan diperoleh garis-garis lintasan proses yang cukup banyak pula.


Bila kemudian titik-titik jenuh dari garis garis lintasan tersebur dihubungkan satu

dengan yang lain, maka akan diperoleh sebuah garis lengkung yang disebut

garis lengkung jenuh (Saturation Line) seperti tampak pada gambar .

3.2. Derajat Kekeringan Uap (Dryness Fraction)

Seperti sudah disinggung dimuka bahwa proses perubahan fase dari air menjadi

uap melalui proses pendidihan tidak berlangsung dengan seketika melainkan

secara bertahap seperti diilustrasikan oleh gambar.

Gambar 4 Proses Perubahan Fase

Karena proses perubahan fase yang berlangsung secara bertahap, maka pada

kondisi tertentu, fluida berada pada fase campuran dimana sebagian masih cair

sementara sebagian lagi sudah menjadi uap. Titik A pada gambar , menyatakan

bahwa kondisi fluida masih 100 % cair didalam keadaan mendidih. Sedang titik

C menyatakan bahwa kondisi fluida telah 100 % berada dalam fase gas (uap).

Kondisi fluida diantara titik A dan titik C menyatakan bahwa fluida masih berada

pada fase campuran antara air dengan uap.

Konsentrasi campuran tidak sama sepanjang garis A sampai C. Pada titik yang

makin mendekat ke titik C berarti porsi uapnya semakin banyak sementara porsi


airnya semakin sedikit. Sebaliknya untuk titik makin dekat ke titik A, berarti

kandungan air dalam campuran semakin tinggi sedang kandungan uapnya

semakin rendah.

Variasi dari kandungan uap atau kandungan air dalam campuran menyatakan

kualitas dari campuran. Kualitas campuran dapat dinyatakan dengan dua cara

yaitu dengan menyatakan fraksi uap dalam campuran atau dengan menyatakan

fraksi air dalam campuran. Bila kita memandang dari sisi uap, maka kita

menyatakan persentase kandungan uap dalam campuran.

Kualitas campuran yang dinyatakan dengan cara ini disebut sebagai derajat

kekeringan (dryness fraction). Sebagai contoh, bila kita ingin menyatakan derajat

kekeringan uap yang berada pada titik B dalam gambar 3.2.1, maka

formulasinya adalah :

%100AC

ABDF

dimana DF = derajat kekeringan (dryness fraction).

Sedangkan derajat kebasahan uap untuk titik yang sama adalah :

%100AC

BCWF

dimana WF = derajat kebasahan (wetness fraction).

3.3. Titik Kritis

Seperti telah diutarakan sebelumnya bahwa ada korelasi antara tekanan dengan

titik didih dimana makin tinggi tekanan, makin tinggi pula titik didih. Dengan

bantuan tabel uap kita akan mengetahui lebih banyak tentang parameter lain

dalam kaitannya dengan tekanan dan titik didih tersebut. Untuk itu marilah kita

simak gambar .


Gambar 5 Titik Kritis

Pada gambar diatas terlihat titik didih pada tekanan P1 adalah t1. Volume air

yang mulai mendidih pada kondisi ini adalah Va dan volume uap jenuhnya adalah

Vb. Entalpi air yang mulai mendidih adalah ha sedang entalpi uap jenuhnya

adalah hb.

Bila sekarang tekanan dinaikkan ke P2, maka air akan mulai mendidih pada

temperatur t2 yang lebih tinggi dari t1. Volume air dan entalpi air yang mulai

mendidih pada kondisi baru ini masing-masing adalah Vd dan hd sementara

volume dan entalpi uap jenuhnya berturut-turut adalah Ve dan he. Dengan

bantuan tabel uap dapat diketahui, bahwa Vb - Va lebih besar dari Ve - Vd. Begitu

pula hb - ha lebih besar dari he - hd.

Dari ilustrasi diatas dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi tekanan, semakin

kecil perbedaan volume, entalpi dan juga entropi antara air yang sedang

mendidih dengan uap jenuh. Pada suatu titik tertentu (titik C), perbedaan

volume, entalpi dan juga entropi antara air dengan uap jenuh menjadi nol. Titik

ini disebut Titik Kritis.

Untuk air, titik kritis ini berada pada tekanan 221.2 bar, temperatur 374,15 0C dan

volume 3,17 dm 3/Kg. Proses penguapan yang berlangsung dibawah harga -

harga tersebut disebut proses penguapan sub kritis (Sub Critical) . Sedang yang

berlangsung diatas harga - harga tersebut disebut proses penguapan super kritis

(Super Critical).


3.4. Luas Daerah Dalam Diagram Ts

Diagram temperatur - entropi (diagram Ts) sering digunakan sebagai alat untuk

memecahkan persoalan - persoalan termodinamika dengan cara melukiskan

proses-proses termodinamika pada diagram Ts seperti contoh dalam gambar .

Gambar 6 Luas Daerah Dalam Diagram T.s

Sebagai ilustrasi misalnya kita ingin menghitung berapa besar panas yang harus

diserap oleh air pendingin untuk mengkondensasikan uap jenuh menjadi air

pada tekanan dan temperatur konstan (Isobar - Isoterm) ?

Bila ditampilkan dalam diagram T-s, maka proses tersebut dinyatakan oleh garis

horizontal BA. Kalau pada titik B dan titik C masing-masing ditarik garis vertikal

hingga memotong sumbu S, maka akan diperoleh bidang empat persegi panjang

BC Sc Sb yang sisi panjangnya adalah S dan sisi lebarnya adalah T. Dengan

demikian berarti luas empat persegi panjang tersebut adalah panjang x lebar

atau T x S.

Karena satuan T = 0 K sedang satuan S = KJ/Kg 0 K, maka T x S = 0 K x KJ/Kg 0

K = KJ/Kg, yang tidak lain adalah satuan panas.

Dari ilustrasi diatas dapat disimpulkan bahwa energi panas berkenaan dengan

proses-proses yang digambarkan dalam diagram T-s dapat diketahui dengan


menghitung luas daerah yang dibentuk oleh lintasan proses-proses dalam

diagram tersebut.

4. SIKLUS CARNOT DAN SIKLUS RANKINE SEDERHANA

Siklus adalah rangkaian beberapa proses. Dalam konteks PLTU, rangkaian proses yang

terjalin dalam siklus meliputi proses di boiler, turbin, kondensor dan pompa air pengisi

seperti tampak pada gambar .

Gambar 7 Komponen Dalam Siklus PLTU

Adapun rincian prosesnya adalah sebagai berikut :

Proses di boiler adalah proses isobar - isoterm.

Proses di turbin adalah proses ekspansi isentropis.

Proses di kondensor adalah proses isobar - isoterm.

Proses pompa adalah proses kompresi isentropis.


Proses - proses tersebut kemudian dirangkai membentuk suatu siklus oleh tuan Carnot dan

tuan Rankine yang hingga kini dikenal sebagai siklus Carnot dan siklus Rankine.

Tampilan siklus Carnot dalam diagram T-s terlihat seperti pada gambar 8.

Gambar 8 Siklus Carnot Sederhana

Dengan menampilkan siklus dalam diagram T-s, maka kita dapat mencari besarnya input

kedalam siklus, besarnya output dari siklus atau besarnya kerugian/losses dari siklus

tersebut. Apabila unsur-unsur tersebut sudah diketahui, maka efisiensi siklus dapat dihitung.


Adapun unsur - unsur dalam siklus diatas adalah :

Kalor Masuk (Qin) = h3 h2 Kalor Keluar (Qout) = h4 h1 Kerja Pompa (WP) = h2 h1 Kerja Turbin (WT) = h3 h4 Kerja Netto (Wnet) = Qin Qout = (h3 h2) (h4 h1)

Atau

= WT WP = (h3 h4) (h2 h1)

Dengan demikian maka efisiensi Carnot dapat dihitung :

output input - losses

C = x 100 % atau x 100 %

input input

T2 (Sb - Sa) - T1 (Sb - Sa)

= x 100 %

T2 (Sb - Sa)

T2 - T1 T1

= = 1 -

T2 T2

Keterangan :

h = Entalpi (kJ/kg)

S = Entropi (kJ/kg.K)

T = Temperatur (K)

Q = Kalor (kJ/kg)

W = Kerja (kJ/kg)

C = Efisiensi Carnot (%)

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa bila temperatur tertinggi dan terendah dari

siklus diketahui, maka efisiensi Carnot dapat dihitung dengan relatif mudah. Siklus Carnot

adalah siklus yang diidealisasikan guna mengetahui efisiensi termal maksimum dari siklus

secara cepat dan bukan untuk tujuan praktis karena siklus Carnot hampir mustahil untuk

dapat diimplementasikan.

Berkenaan dengan hal tersebut, tuan Rankine menciptakan suatu siklus yang lebih

berorientasi praktis dan memungkinkan untuk mengaplikasikan. Adapun tampilan siklus

Rankine untuk PLTU seperti gambar , dapat dilihat pada siklus dalam gambar.


Gambar 9 Siklus Rankine Sederhana


Unsur - unsur siklus Rankine adalah :

Adapun unsur - unsur dalam siklus diatas adalah :

Kalor Masuk (Qin) = h3 h2 Kalor Keluar (Qout) = h4 h1 Kerja Pompa (WP) = h2 h1 Kerja Turbin (WT) = h3 h4 Kerja Bersih (Wnet) = Qin Qout = (h3 h2) (h4 h1)

atau,

= WT WP = (h3 h4) (h2 h1)

Dengan demikian efisiensi Rankine dapat dihitung :

%100in

net

RQ

W

%100%10023

1423

hh

hhhh

Q

QQ

in

outin

R

atau

%100%10023

1243

hh

hhhh

Q

WW

in

PTR

dimana : R = efisiensi Rankine

h = entalpi

Wnet = Kerja Bersih

Qin = Kalor Masuk

Qout = Kalor Keluar

WT = Kerja Turbin

WP = Kerja Pompa

Dengan menggunakan tabel uap, maka semua besaran tersebut dapat diketemukan dan

selanjutnya efisiensi Rankine dapat dihitung. Sebagai contoh, misalnya tekanan boiler pada

siklus seperti gambar , adalah 100 bar absolut dan tekanan kondensor = 0,075 bar absolut.

Hitung efisiensi Rankine.

Untuk titik 1 ; dengan Tekanan 0,075 bar, dari Tabel Uap Jenuh didapatkan :

fhh1 168,79 kJ/kg

fss1 0,5764 kJ/kg.K

fgs 7,6750 kJ/kg.K

fgh 2406,0 kJ/kg

f1 0,00101 m/kg


Untuk titik 2;

PWhh 12

dimana,

121. PPWP = 0,00101 m/kg (10.000 - 7,5) kPa

= 10,09 kJ/kg

2h 168,79 kJ/kg + 10,09 kJ/kg

= 178,88 kJ/kg

Untuk titik 3; dengan Tekanan 100 bar, dari Tabel Uap Jenuh didapatkan :

h3 = hg = 2727,7 kJ/kg

s3 = sg = 5,6198 kJ/kg.K

Untuk titik 4;

s4 = s3 = 5,6198 kJ/kg.K

).(14 fghxhh

dimana,

fgfg s

ss

h

hhx 1414

675,06750,7

5764,06198,5

4h 168,79 + 0,675.(2406,0)

= 1792,84 kJ/kg

Kalor Masuk (Qin) = h3 h2 = 2727,7 178,88 = 2548,82 kJ/kg

Kalor Keluar (Qout) = h4 h1 = 1792,84 168,79 = 1624,05 kJ/kg

Kerja Pompa (WP) = h2 h1 = 178,88 168,79 = 10,09 kJ/kg

Kerja Turbin (WT) = h3 h4 = 2727,7 1792,84 = 924,86 kJ/kg

Kerja Bersih (Wnet) = Qin Qout = (h3 h2) (h4 h1) = 2548,82 - 1624,05 = 924,77 kJ/kg


Selanjutnya, dapat dihitung Efisiensi Siklus Rankine :

%100%10023

1243

hh

hhhh

Q

WW

Q

W

in

PT

in

net

R

%28,36%10082,2548

77,924

5. SIKLUS RANKINE SUPERHEAT DAN SUPERHEAT-REHEAT

5.1. Siklus Rankine Superheat

Untuk meningkatkan efisiensi siklus, maka ketel - ketel modern dilengkapi dengan

pemanas lanjut uap (Superheater) untuk menaikkan tempeartur uap yang keluar dari

ketel. Dengan cara ini maka kandungan energi panas dalam uap yang akan masuk

turbin menjadi lebih tinggi. Proses yang terjadi didalam superheater sendiri adalah

proses kenaikan temperatur melalui penambahan fraksi panas superheat yang

berlangsung secara Isobar. Adapun tampilan siklus Rankine Superheat dapat dilihat

gambar .

a. PLTU Dengan Superheater


b. Siklus Rankine Dalam Diagram T-s

Gambar 10 Siklus Rankine Superheat

Dari gambar , terlihat bahwa unsur-unsur dalam siklus adalah sebagai berikut :

Kalor Masuk (Qin) = (h4 h3) + (h3 h2) = (h4 h2) Kalor Keluar (Qout) = h5 h1 Kerja Pompa (WP) = h2 h1 Kerja Turbin (WT) = h4 h5 Kerja Bersih (Wnet) = Qin Qout = (h4 h2) (h5 h1)

atau,

= WT WP = (h4 h5) (h2 h1)


%100in

net

RQ

W

%100%10024

1524

hh

hhhh

Q

QQ

in

outin

R

atau

%100%10024

1254

hh

hhhh

Q

WW

in

PTR


Sebagai contoh misalnya tekanan boiler untuk siklus seperti gambar , adalah 100 bar

absolut. Temperatur uap keluar Superheater = 500 0C dan tekanan kondensor =

0,075 bar absolut. Berapakah efisiensi Rankine untuk siklus tersebut.

Untuk menyelesaikan persoalan ini diperlukan bantuan Tabel Uap. Karena titik 4 ada

diluar garis lengkung jenuh, maka digunakan tabel uap panas lanjut. Untuk tekanan

100 bar dan temperatur 500 0C, diperoleh :


fhh1 168,79 kJ/kg

fss1 0,5764 kJ/kg.K

fgs 7,6750 kJ/kg.K

fgh 2406,0 kJ/kg

f1 0,00101 m/kg

Untuk titik 2;

PWhh 12

dimana,

121. PPWP = 0,00101 m/kg (10.000 - 7,5) kPa

= 10,09 kJ/kg

2h 168,79 kJ/kg + 10,09 kJ/kg

= 178,88 kJ/kg


h3 = hg = 2727,7 kJ/kg

Untuk titik 4; dengan Tekanan 100 bar dan Temperatur 500 0C dari Tabel Uap Panas

Lanjut didapatkan :

h4 = 3374,6 kJ/kg

s4 = 6,6994 kJ/kg.K

Untuk titik 5,

s5 = s4 = 6,6994 kJ/kg.K

).(15 fghxhh

dimana,

fgfg s

ss

h

hhx 1515


80,06750,7

5764,06994,6

5h 168,79 + 0,80.(2406,0)

= 2093,59 kJ/kg

Kalor Masuk (Qin) = h4 h2 = 3374,6 178,88 = 3195,72 kJ/kg



Kerja Turbin (WT) = h4 h5 = 3374,6 2093,59 = 1281,01 kJ/kg

Kerja Bersih (Wnet) = Qin Qout = (h4 h2) (h5 h1) = 3195,72 1924,80 = 1270,92 kJ/kg


%100%10024

1245

hh

hhhh

Q

WW

Q

W

in

PT

in

net

R

%77,39%10072,3195

92,1270

Dengan demikian terbukti bahwa efisiensi siklus Rankine Superheat lebih tinggi

dibanding efisiensi siklus Rankine sederhana.

5.2. Siklus Rankine Superheat-Reheat

Pada PLTU berkapasitas besar, ternyata pemanas lanjut saja masih kurang

memenuhi kebutuhan. Untuk itu, selain pemanas lanjut juga dilengkapi dengan

pemanas ulang uap (Reheater). Pada siklus dengan pemanas ulang, uap dari turbin

tekanan tinggi dialirkan kembali kedalam elemen pemanas ulang (Reheater) untuk

dipanaskan lagi dan baru kemudian dialirkan ke turbin tekanan menengah dan turbin

tekanan rendah. Proses yang berlangsung dalam pemanas ulang sama dengan


proses yang berlangsung dalam supereheater yaitu pemanasan uap secara isobar.

Tampilan siklus Rankine Superheat Reheat terlihat seperti gambar .

a. PLTU Dengan Superheater - Reheater

b. Diagram TS Siklus Rankine Superheat Reheat.

Gambar 11 Siklus Rankine Superheat Reheat


Dari gambar , terlihat bahwa :

Kalor Masuk (Qin) = (h6 h5) + (h4 h3) + (h3 h2) = (h6 h5) + (h4 h2) Kalor Keluar (Qout) = h7 h1 Kerja Pompa (WP) = h2 h1 Kerja Turbin (WT) = (h4 h5) + (h6 h7) Kerja Bersih (Wnet) = Qin Qout = [(h6 h5) + (h4 h2)] (h7 h1)

atau,

= WT WP = [(h4 h5) + (h6 h7)] (h2 h1)


%100in

net

RQ

W

%100][

%1002456

172456

hhhh

hhhhhh

Q

QQ

in

outin

R

atau

%100][

%1002456

127654

hhhh

hhhhhh

Q

WW

in

PTR

Sebagai contoh misalkan siklus seperti gambar , tekanan dan temperatur uap masuk

turbin tekanan tinggi (T.T) adalah 100 bar dan 500 0C. Tekanan dan temperatur uap

keluar turbin (TT) adalah 40 bar dan 300 0C yang selanjutkan dialirkan kembali ke

Reheat. Temperatur uap keluar reheater = 500 0C. Uap tersebut selanjutnya mengalir

kedalam turbin tekanan menengah dan turbin tekanan rendah untuk akhirnya masuk

ke kondensor. Tekanan kondensor adalah 0,075 bar absolut. Berapakah efisiensi

Rankine untuk siklus tersebut ?.

Untuk menyelesaikan masalah kembali diperlukan Tabel Uap, karena titik 4,5 dan 6

ada diluar garis lengkung jenuh, maka dipakai tabel uap panas lanjut. Dari tabel

tersebut untuk tekanan 40 bar dan temperatur 500 0C, diperoleh :


fhh1 168,79 kJ/kg

fss1 0,5764 kJ/kg.K

fgs 7,6750 kJ/kg.K

fgh 2406,0 kJ/kg

f1 0,00101 m/kg


Untuk titik 2;

PWhh 12

dimana,

121. PPWP = 0,00101 m/kg (10.000 - 7,5) kPa

= 10,09 kJ/kg

2h 168,79 kJ/kg + 10,09 kJ/kg

= 178,88 kJ/kg


h3 = hg = 2727,7 kJ/kg


Lanjut, didapatkan :

h4 = 3374,6 kJ/kg

s4 = 6,6994 kJ/kg.K

Untuk titik 5, dengan Tekanan 40 bar dan Temperatur 300 0C dari Tabel Uap Panas


h5 = 2960,7 kJ/kg



h6 = 3445,3 kJ/kg

s6 = 7,0901 kJ/kg.K

Untuk titik 7,

s7 = s7 = 7,0901 kJ/kg.K

).(17 fghxhh

dimana,

fgfg s

ss

h

hhx 1717

85,06750,7

5764,00901,7

7h 168,79 + 0,85.(2406,0)

= 2213,89 kJ/kg


Kalor Masuk (Qin) = (h6 h5) + (h4 h2) = (3445,3 - 2960,7) + (3374,6 178,88)

= 3680,32 kJ/kg



Kerja Turbin (WT) = (h4 h5) + (h6 h7) = (3374,6 2960,7) + (3445,3 2213,89)

= 1645,31 kJ/kg

Kerja Bersih (Wnet) = Qin Qout = WT - WP = 3680,32 2045,10 = 1635,22 kJ/kg


%100

in

PT

in

net

RQ

WW

Q

W

%43,44%10032,3680

22,1635

Dengan demikian terbukti lagi bahwa dengan penambahan pemanas ulang, maka

efisiensi siklus menjadi lebih tinggi lagi. Selain menguntungkan dari sisi efisiensi,

pemanas ulang juga dapat memperpanjang umur turbin tekanan rendah karena

kualitas uap bekas pada siklus dengan pemanas ulang menjadi lebih baik.


6. PERPINDAHAN PANAS

Seperti diketahui beberapa jenis komponen PLTU bekerja berdasarkan azas

pemindahan energi panas dari suatu fluida kefluida lain seperti ketel, condenser, heat

exchanger dan lain sebagainya. Karena itu para operator hendaknya juga memahami

prinsip-prinsip dasar proses perpindahan panas. Session ini akan membahas prinsip

dasar proses perpindahan panas secara terbatas beserta penerapannya sesuai

dengan kebutuhan lingkup tugas operator.

Gambar 12 Mekanisme Perpindahan Panas

6.1. Mekanisme Perpindahan Panas.

Secara umum panas dapat berpindah dari suatu daerah atau benda yang

bertemperatur lebih tinggi ke daerah atau benda yang bertemperatur lebih rendah.

Dengan kata lain dapat dinyatakan bahwa panas dapat berpindah apabila ada

perbedaan tempeatur ( t ). Karena itu dapat disimpulkan bahwa perbedaan

temperatur ( t ) merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan panas.

Pada prinsipnya panas dapat berpindah melalui 3 macam mekanisme yaitu radiasi,

konduksi dan konveksi.


Gambar 13 Perpindahan Panas Konduksi

Konduksi: adalah proses perpindahan panas yang berlangsung secara merambat

atau estafet melalui molekul-molekul benda. Misalnya sebatang logam yang panjang

salah satu ujungnya dipanaskan. Setelah beberapa lama bila ujung lain disentuh juga

akan terasa panas.ini berarti panas berpindah dari satu ujung logam keujung lainnya

secara merambat. Contoh adalah panas yang berpindah dari permukaan bagian luar

kepermukaan bagian dalam pipa-pipa ketel, condenser dan sebagainya.

Dari Hukum Hukum Fourier 1822 yang ditemukan oleh Jean Baptiste Joseph Fourier

(1768-1830) didapatkan Persamaan Konduksi :

Q = Laju Perpindahan Panas Konduksi (W)

k = Konduktivitas Thermal (W/m. 0C)

A = Luas Permukaan (m)

dT = Perbedaan Temeperatur (0C)

dx = Ketebalan Material (m)

Konveksi: adalah proses perpindahan panas yang berlangsung melalui perantaraan

pergerakan fluida. Jadi molekul-molekul fluida merupakan perantara yang membawa

panas dari satu tempat ketempat lain.Contoh adalah proses perpindahan panas dari

gas bekas ke elemen economizer didalam ketel.

dx

dTAkQ ..


Gambar 14 Perpindahan Panas Konveksi

Laju Perpindahan Panas secara konveksi dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan Perpindahan Panas Konveksi :

Qkonv = Laju Perpindahan Panas Konveksi (W)

h = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/(m.C))


T = Perbedaan Temperatur (C)

Radiasi: adalah proses perpindahan panas melintasi ruang melalui pancaran

gelombang elektromagnetik dengan kecepatan cahaya dari benda yang bertemperatur

lebih tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Perpindahan panas secara radiasi

tidak membutuhkan media perantara sehingga panas tetap dapat berpindah secara

radiasi meskipun harus melintasi ruang hampa. Contoh adalah proses perpindahan

panas yang terjadi didalam ruang bakar ( Furnace ) ketel ketika panas dari nyala api

dipancarkan kedinding ruang bakar ( wall tube ).

Laju Perpindahan Panas Radiasi dapat dihitung melalui Hukum Stefan-Boltzmann

(Persamaan Radiasi) :

Eb = Emisi Energi Benda Hitam (W/m2)

q = Laju Perpindahan Panas Radiasi (W/m) = Konstanta Stefan-Boltzmann

= [5,6697 x 10 W/(m2.K4)]

T = Temperatur (K)

Q


Pada prakteknya terkadang sulit memisahkan ketiga mekanisme perpindahan panas

tersebut,karena seringkali ketiganya berlangsung secara serentak dan bersamaan.

6.2. Pengaruh Deposit Pada Perpindahan Panas

Bila pada perrmukaan pemindah panas terjadi deposit, maka proses perpindahan

panas akan terhambat. Hal ini disebabkan karena deposit merupakan

hambatan/resistansi terhadap laju aliran panas terutama pada proses perpindahan

panas konduksi, seperti gb. dibawah.

Gambar 12 merupakan penampang sebuah pipa dengan deposit dibagian dalam pipa,

bila pipa dalam keadaan bersih maka hambatan terhadap perpindahan panas hanya

berupa dinding pipa dengan Resistansi R1 . Manakala terdapat deposit, maka

hambatan bertambah sesuai ketebalan deposit dengan Resistansi R2 . Kedua

Resistansi tersebut akan dihubungkan secara seri sehingga Resistansi total menjadai

R1 + R2 . Akibat bertambahnya Resistansi maka laju aliran panas ( Q ) akan berkurang.

Disamping itu deposit yang cukup tebal dibagian dalam pipa juga akan mengurangi

luas permukaanbagian dalam pipa, hal ini berarti akan mengurangi luas penampang

perpindahan panas sehingga juga akan mengurangi laju aliran panas ( Q ).

Gambar 15 Tahanan Termal pada Deposit


Dari persamaan Perpindahan Panas Konduksi :

Dimana :

R = Tahanan Thermal (W/ 0C)

Q = Laju Perpindahan Panas Konduksi (W)

k = Konduktivitas Thermal (W/m. 0C)


dT = Perbedaan Temeperatur (0C)

dx = Ketebalan Material (m)

Dengan demikian maka segala macam deposit baik bagian dalam maupun bagian luar

pipa harus diusahakan agar jangan sampai terbentuk. Bila sudah terlanjur terbentuk

segera lakukan tindakan koreksi atau laporkan kondisi tersebut agar pihak yang lebih

berwenang dapat melakukan tindakan koreksi.

dx

dTAkQ ..

Ak

dxR

.

R

dTQ

Buku 1 Termodinamika

Documents