makalah fwh jenjang mundur
TRANSCRIPT
MAKALAH MASS AND ENERGY BALANCE
FEED WATER HEATER TIPE TERTUTUP DENGAN KURASAN BERJENJANG MUNDUR
DISUSUN OLEH:
Cahyo Addi W 3.22.10.2.09
Darul Ulum 3.22.10.2.10
Saipul Surya 3.22.10.2.21
Sutiyono 3.22.10.2.22
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
2013
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Siklus merupakan rangkaian dari beberapa proses yang dimulai dari suatu tingkat
keadaan kemudian kembali ke tingkat keadaan semula dan terjadi secara berulang (Cengel,
Yunus A., Boles, Michael A.). Pada pembangkit tenaga uap, fluida yang mengalami proses-
proses tersebut adalah air. Air berfungsi sebagai fluida kerja. Air dalam siklus kerjanya
mengalami beberapa proses seperti pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan, dan
kompresi. Siklus pembangkit tenaga uap yang telah diterima sebagai standar siklusnya
adalah menggunakan siklus Rankine.
Untuk meningkatkan efisiensi instalasi pembangkit listrik, sebelum air dipompa
memasuki ke boiler, feedwater harus dipanaskan terlebih dahulu hingga mencapai
temperatur tertentu. Pemanasan tersebut dilakukan dengan heater (heat exchanger), yang
berlangsung secara konduksi dengan memanfaatkan uap panas yang diambil (diekstraksi)
dari turbin. Jadi selain diteruskan ke kondenser, ada sejumlah kecil uap dari turbin yang
diambil untuk memanaskan feedwater heater atau dengan istilahnya sejumlah uap
diekstraksi ke feedwater heater (tekanan ekstraksi).
Penghitungan kesetimbangan massa dan kalor serta efisiensi dari instalasi pembangkit
listrik tenaga uap dapat diasumsikan sebagai kesetimbangan entalpinya
1.2. Rumusan Masalah
Dari latar belakang yang telah dipaparkan diatas, maka beberapa masalah yang akan
dibahas pada makalah ini adalah:
a. definisi dan prinsip feed water heater
b. prinsip kerja feed water Heater berjenjang mundur
c. neraca massa dan energi disertai contoh kasus dari feed water heater kurasan
berjenjang mundur
1.3. Tujuan
Tujuan dari diadakanya atau dibuatnya makalah ini adalah:
a. mengetahui definisi dan kerja feed water heater
b. mengetahui feed water heater berjenjang mundur
c. mengetahui neraca massa feed water heater berjenjang mundur dari contoh kasus
BAB 2
PEMBAHASAN
2.1. Definisi dan Prinsip Feed Water Heater
Suatu kompromi yang dapat mengurangi, ketidakmampubalikan ekonomiser, namun
tidak bisa menghapuskanya sama sekali, ialah dengan menggunakan pemanas air umpan
(istilahyang lebih umum yaitu pemanasan cairan umpan yang berlaku untuk fluida lain selain
H2O jarang dipakai). Pemanas air umpan meliputi ekspansi adiabatik normal (dan secara
ideal juga mampu-balik) di dalam turbin. Cairan mampat pada 4 dipanaskan dalam beberapa
langkah berhingga, dan tidak secara kontinu (sinambung) oleh uap yang dibocorkan dari
turbin pada tahap-tahap tertentu. Pemanasan berlangsung di dalam penukar kalor yang
dinamakan pemanas air umpan. Pemanasan air umpan sudah dilakukan sejak tahun 1920,
hampir bersamaan waktunya dengan pencapaian suhu uap sekitar 725 °F. Instalasi daya yang
besar dan modern menggunakan antara lima dan delapan tahap pemanas iar umpan. Tidak
ada yang dibuat tanpa pemanasan air umpan.
Oleh karena ada beberapa tahap pemanasan air umpan, cairan masuk pembangkit uap
pada titik yang lebih rendah dari B, sehingga memerlukan bagian ekonomiser walaupun jauh
lebih kecil daripada jika tidak menggunakan pemanasan air umpan. Oleh karena itu, dan
karena pemanas air umpan mempunyai ketidakmampubalikanya sendiri. Keadaan ideal
seperti pada Gambar 2.1., tidak dapat dicapai dan siklus Rakine tidak dapat mencapai
efisiensi Carnot. Namun, siklus Rankine yang dirancang dengan baik adalah siklus praktis
yang mendekati siklus Carnot, dan karena itu paling banyak dipakai dalam instalasi
pembangkitan daya.
Gambar 2.1. Regenerasi ideal pada siklus Rankine
Ada tiga jenis air umpan yang biasa digunakan, yaitu:
1. jenis terbuka atau kontak langsung
2. jenis terututp dengan kurasan bejenjang mundur
3. jenis tertutup dengan kurasan berjenjang maju
Air umpan untuk boiler berasal dari air kondensat proses yang dihasilkan dari
kondenser, perlu dinaikkan temperaturnya hingga mendekati kondisi saturasi penguapan.
Metodenya adalah dengan memanfaatkan fluida pemanas dari uap turbin melalui cara
ekstraksi uap. Biasanya fungsi pemanas air umpan ini juga untuk melepaskan campuran gas
tidak terkondensasi terpisah dari larutan air agar tidak bersifat korosif.
Ada 2 jenis model pemanas air umpan yaitu tipe terbuka (Open Feed Water Heater) dan
tipe tertutup (Close Feed Water Heater). Perbedaannya adalah kontak antara fluida uap
dengan media pendingin (kondensat) terjadi secara langsung atau tidak langsung melalui
perantara dinding pemisah. Berdasarkan proses pemanasan fluida kondensat oleh fluida
uap ekstraksi, terdapat pembagian daerah zone proses di dalam komponen Feed Water
Heater yaitu 2 zone berupa desuperheating dan kondensasi, 2 zona kondensasi dan
subcooling serta 3 zone berupa gabungan desuperhetaing, kondensasi dan subcooling.
Tata letak Feed Water Heater terbagi 2 macam secara vertikal dan horizontal. Masing-
masing terdiri atas aliran uap yang mengalir melalui cangkang dan aliran kondensat yang
melalui pipa tabung. Untuk tipe vertikal kanal utama aliran kondensat masuk dan keluar bias
berada di sisi atas atau sisi bawah. Namun untuk tipe vertical terjadi sebagian permukaan
pipa tabung yang berada di bawah level ketinggian air kondensasi. Konstruksi untuk Feed
Water Heater yang beroperasi pada tekanan tinggi seluruh bagian konstruksi disambung
melalui proses pengelasan untuk mencegah terjadinya resiko kebocoran/kegagalan.
Agar efisiensi siklus meningkat, maka air umpan boiler yang telah dipompakan perlu
untuk diproses hingga mendekati tingkat keadaan jenuh pada kondisi pemanasan uap. Hal
ini dilakukan dengan cara pemanasan air umpan (Feedwater Heating) yang menggunakan
sebagian ekstraksi uap keluar turbin. Proses pemanasan air umpan menggunakan 2 macam
pemanasan yaitu pemanasan terbuka (Open Feedwater Heater) dan pemanasan tertutup
(Close Feedwater Heater). Dalam pemanasan air umpan secara terbuka, air kondensat
bercampur secara langsung dengan uap ekstraksi turbin pada tekanan yang sama saat
kondisi saturasi, sedangkan pemanasan tertutup kontak terjadi pada tekanan berbeda
melalui suatu bidang pemisah.
(a) (b)
Gambar 2.2. Pemanas Air Umpan Sistem Terbuka (atas) dan Tertutup (bawah)
(a) Skema aliran (b) diagaram T-S nonideal Superheated dengan 2 .pemanas air .umpan
Di dalam siklus regenerative, uap diekstrasikan dari turbin beberapa tingkat untuk
memanaskan air umpan, sehingga mengurangi kehilangan energi panas di kondenser dan
meningkatkan efisiensi sistem.
Konstruksi Pemanas
Dalam analisis siklus terhadap perlunya pemanas air umpan, beberapa pertimbangan
harus dikaji tentang tipe pemanas yang akan digunakan, parameter desain, dan metode
pembuangan uap terkondensasi dari pemanas. Ada 2 jenis pemanas air umpan yaitu tipe
terbuka (kontak langsung) dan tertutup (kontak dengan separasi). Untuk tipe terbuka (Open
FWH), uap ekstraksi bercampur dengan air umpan untuk dipanaskan. Uap terkondensasi di
dalam chamber dan keluar bersama air umpan panas dari pemanas. Tipe ini juga didesain
untuk men-deaerasi (sebagai De-aerator) kondensat yang datang, membebaskan gas-gas
terlarut dan non-kondensasi yang memiliki kandungan utama oksigen, nitrogen, ammonia
dan karbondioksida dari kondensat, yang berasal dari adanya kebocoran dan reaksi kimia.
Kelemahan tipe ini adalah ukurannya besar dan berat, serta memerlukan pompa untuk
mengalirkan air umpan keluar pemanas menuju proses berikutnya di dalam siklus plant.
Konstruksi Pemanas terbuka
Terdiri atas 3 bagian yaitu bagian pemanas (heater), condenser vent, dan penyimpan
(storage). Proses deaerasi mengikuti gabungan ketetapan hukum Dalton dan Henry tentang
kuantitas sebuah gas terlarut di dalam sebuah cairan akan berkurang ketika temperatur
cairan bertambah, dan jika cairan dipanaskan hingga titik didih seluruh gas terlarut akan
terlepas.
Gambar 2.3. Tipikal Deaerator Tipe Tray (Open FWH)
Kemampuan deaerasi unit diukur dari banyaknya oksigen terlarut di dalam kondensat
yang keluar dari FWH. Kapasitas unit ditentukan oleh kuantitas air umpan yang dikeluarkan
oleh bagian penyimpan. Banyak unit yang beroperasi pada tekanan positif terhadap tekanan
atmosferik dan berada di atas tekanan ekstraksi uap. Dearator juga berfungsi untuk
memproses fluida buang dari pemanas tekanan tinggi, uap ektraksi untuk pemanas udara
pembangkit uap, trap tekanan tinggi, sehingga terdapat katup pengaman untuk menjaga
agar tekanan tidak melampaui batas tekanan cangkang. Untuk melindungi kehilangan suplai
uap, terpasang pula perangkat vacuum breaker yang berfungsi mencegah terjadinya tekanan
subatmosferik.
Konstruksi Pemanas Tertutup
Merupakan bentuk penukar kalor cangkang dan tube, dengan kondensat atau air
umpan yang mengalir di dalam tube dan uap ekstraksi di sisi cangkang. Konstruksi terdiri
atas pelat pemisah pembagi aliran masuk dan keluar (partition plate), reverse channel,
floating head cover dan floating head tube shell, yang berguna memudahkan pada saat
membersihkan deposit (scale) di dalam tabung. Di samping itu juga terdapat desain floating
head yang menggunakan konstruksi tabung-U. Uap ekstraksi yang masuk berada pada
kondisi panas lanjut (superheated), dan ketika kontak dengan permukaan luar tabung akan
terkondensasi pada temperature saturasi. Sebuah desain ekonomis, unit dirancang untuk
beda temperature antara temperature keluar feedwater dan temperature saturasi tersebut
sebesar 5 oF (2,8 oF).
(a)
(b)
Gambar 2.4. Pemanas air umpan tabung ,lurus, dengan floating reverse channel (a) dan U pengkondensasi (b)
Pemanas air umpan sebaiknya dikonstruksikan menurut standar Boiler and Pressure
Vessel Code, Code for Unfired Pressure Vessels, Section VIII dan HEI (Heat Exchanger
Institute) Standards for Closed Feedwater Heaters.
(a) (b)
Gambar 2.5. Pemanas Air Umpan Vertikal Posisi Kanal: (a) di bawah, (b) di atas
2.2 Prinsip Kerja Feed Water Heater Berjenjang Mundur Tipe Tertutup
Pemanas air umpan jenis ini, walaupun menimbulkan susut-ketersediaan lebih besar
dari pada jenis terbuka. Adalah jenis yang paling sederhana dan paling dipakai dalam
instalasi daya. Sebagaimana halnya dengan pemanas air umpan jenis tertutup dengan
kurasan dipompa maju, jenis ini juga merupakan penukar kalor jenis selongsong dan tabung
(shell and tube), akan tetapi berlawanan karena tidak mempunyai sembarang peralatan yang
bergerak.
Dalam pemanas air umpan jenis tertutup, air umpan dilewatkan melalui tabung, dan
uap bocoran yang berada pada sisi selongsong memberikan energinya pada air umapn itu,
lalu terkondensasi. Jadi pemanas air umpan ini pada dasarnya adalah kondensor kecil yang
beroperasi pada tekanan yang lebih tinggidaripada tekanan kondensor utama instalasi. Oleh
karena air umpan mengalir melalui tabung-tabung dalam pemanas air umpan yang tersusun
berurutan, air umpan itu tidak bercampur denga uap. Karena itu, air tidak hanya memberi
tekanan satu kali saja oleh pompakondensat pertama, yang sekaligus menangkap sebagai
pompa umpan pendidih. Namun kadang-kadang ada juga yang mempunyai satu pompa
kondensat dan satu pompa umpan pendidih yang ditempatkan di hilirnya supaya kenaikan
tekanan pada pompa itu tidak terlalu besar. Pompa umpan pendidih tentu diperlukan dan
ditempatkan setelah pemanas deaerasi apabila instalasi itu menggunakan pemanas deaerasi.
Gambar 2.6. Aliran skematis dan diagram T-S dari suatu siklus Rankine panas lanjut non ideal dengan
dua pemanas air umpan jenis tertutup kurasan berjenjang mundur
Pada Gambar 2.6. ditunjukan suatu diagram-alir sederhana diagram T-S yang
sehubungan dengan itu, dari suatu siklus Rankine panas-lanjut non-ideal yang pada cntoh ini
mempunyai dua pemanas air-umpan jenis ini agar sederhana. Satu pompa, 5-6, memberi
tekanan pada kondensat sehingga tekanan cukup untuk melalui dua pemanas air-umpan dan
masuk ke generator-uap pada 8. Juga, disini, perbedaan antara garis tekanan-tinggi 6-B dan
garis cairan-jenuh 5-B dibuat lebih besar supaya jelas.
Uap yang berkondensasi di dalam masing-masing pemanas air-umpan tentu tidak bisa
dibiarkan mengumpul di situ dan harus dikeluarkan dan diumpankan kembali ke dalam
sistem. Dalam pemanas-umpan jenis ini, kondensat diumpankan kembali ke pemanas air-
umpan yang tekananya setingkat lebih rendah. Kondensat dari pemanas air-umpan dengan
tingkat tekanan paling-rendah lain (tetapi tidak selalu) diumpankan kembali kedalam
kondensor. Jadi, dapat kita bayangkan suatu kaskade (jenjangan) dan pemanas tekanan-
tinggi ke tekanan-rendah. Karena itulah pemanas ini dinamakan “berjenjang”.
Kemudian, uap basah dari 3 dimasukkan ke pemanas air-umpan tekanan rendah dan
memindahkan energinya ke air dingin-lanjut tekanan-tinggi pada 6. Peristiwa kepada
pemanas ini digambarkan pada diagram suhu-panjang pada Gambar 2.7.a Suhu air keluar
pada 7 tidak dapat mencapai suhu uap-bocoran masuk pada 3. Beda-suhu yang disebut
beda-suhu terminal (terminal temperature difference, disingkat TTD atau hanya TD)
didefinisikan untuk pemanas air umpan tertutup seagai berikut.
TTD = suhu jenuh uap bocoran-suhu air keluar
Nilai TTD berbeda-beda menurut tekanan panas. Dalam hal pemanasan tekanan-rendah
yang menerima uap-bocoran basah atau hampir jenuh, TTD positif dan nilainya biasanya
sekitar 5 ⁰F. Beda-suhu ini dicapai dengan merancang perpindahan-kalor sebaik-baiknya
pada pemanas itu. Jika beda-suhu itu terlalu kecil, walaupun ini baik dari segi efisiensi
instalasi, namun ini akan memerlukan pemanas yang lebih besar sehingga tidak
menguntungkan dari segi ekonomi. Jika beda suhu terlalu besar, sehingga tidak
menguntungkan dari segi ekonomi. Jika beda suhu terlalu besar, efisiensi siklus akan
terganggu. Pad beberapa pemanas, kurasan pada 9 agak dingin-lanjut. Hal ini akan kita
tunjukkan nanti.
Kurasan dari pemanas bertekanan-rendah lalu dialirkan ke kondensor dan masuk
sebagai cmpuran dua-fase pada 10. Proses ini adalah proses pencekikan dari tekanan pada 9
menjadi tekanan kondensor utama, dan karena itu terjadi susut dalam ketersediaan,
segaimana disinggung terdahulu. Ada lagi susut dalam ketersediaan akibat perpindahan-
kalor. Proses 9-10 adalah proses pencekikan dan karena itu proses entalpi-tetap.
Pemanas air-umpan tertutup yang menerima uap-jenuh atau uap-basah boleh
mempunyai pendingin air-kurasan dan karena itu terdiri atas bagian kondensasi dn bagian
pendingin-kurasan (Gambar 2.7.b).
Kembali ke sistem pada Gambar 2.6., pemanas air-umpan tekanan-tinggi menerima uap
panas-lanjut yang dibocorkan dari turbin 2 yang mengalir pada sisi-selongsong dengan laju
dan memindahkan energi ke cairan dingin-lanjut yang masuk tabung pada 7. Peristiwa itu
di gambarkan oleh diagram suhu terhadap panjang lintas pada Gambar 2-.7.c. Perhatikan di
sini bahwa oleh karena uap masuk itu panas-lanjut pada 2, suhu air-keluar pada 8 bisa lebih
tinggi suhu-jenuh uap itu dan tekanan-tinggi,oleh karena itu, berkisar antara 0 dan -5⁰F,
makin negatif kalau tekanan makin tinggi tingkat panas-lanjut uap masuk.
Perhatikan pula bahwa kurasan dalam pemanas ini agak dingin-lanjut dan karena itu
memberi energi lebih banyak kepada air dan menyebabkan berkurangnya susut
ketersediaan akibat pencekikan ke pemanas, tekanan-rendah. Pemanas itu secara fisik
terdiri atas bagian pembuang panas-lanjut (desuperheater), bagian kondensasi, dan bagian
pendingin kurasan (Gambar 2.7.c).
Gambar 2.7. Diagram suhu entalpi pemanas air umpan pada gambar 2.6., dimana (a) dan (b) tekanan
rendah dan tekanan tinggi, dan (c) tekanan tinggi. TTD= beda-suhu terminal, DS= pembuang panas-
lanjut, C= kondensor, DC= pendingin kurasan
Jadi, secara fisik ada empat kemungkinan susunan bagian atau zone pemanasan air-
umpan tertutup (Bagian 6-5):
1. Kondensor.
2. Kondensor, pendingin kurasan.
3. Pembuang panas-lanjut, kondensor, pendingin kurasan.
4. Pembuang panas-lanjut, kondensor.
2.3 Neraca Massa Feed Water Heater Berjenjang Mundur
Untuk mengetahui neraca massa dan energi dari feed water heater, kita ambil dari
kasus pada gambar 2.6. (siklus Rankine panas lanjut non ideal dengan dua pemanas air
umpan jenis tertutup kurasan berjenjang mundur). Massa yang juga didasarkan atas satu
satuan laju aliran pada lubang masuk turbin titik 1, diberikan sesuai dengan arah jarum jam,
oleh :
Aliran massa antara 1 dan 2 = 1
Aliran massa antara 2 dan 3 = 1 - ṁ2
Aliran massa antara 3 dan 4 = 1 - ṁ2 - ṁ3
Aliran massa antara 8 dan 1 = 1
Aliran massa antara 2 dan 12 = ṁ2
Aliran massa antara 3 dan 9 = ṁ3
Aliran massa antara 9 dan 10 = ṁ2 + ṁ3
Maka, Neraca energi pada pemanas tekanan tinggi dan pemanas tekanan rendah yaitu :
ṁ2(h2 – h11) = h8 – h7
dan ṁ3(h3 – h9) + ṁ2(h12 – h9) = h7 – h6
Mengingat proses pencekikan adalah proses entalpi tetap, sehingga:
h1 = h2 dan h10 = h9
Panas yang ditambahkan qA = h1 – h8
Kerja turbin wt = (h1 – h2) + (1 - ṁ2)(h2 – h3) + (1 - ṁ2 - ṁ3)(h3 – h4)
Kerja pompa wp = h6 – h5 = V5 (P6 - P5)
Kasus yang selanjutnya adalah penggunaan satu feed water heater tipe tertutup
berjenjang mundur pada suatu sistem PLTU (Gambar 2.8.).
Gambar 2.8. Sistem PLTU menggunakan satu FWH berjenjang mundur (jenis tertutup)
Massa yang juga didasarkan atas satu satuan laju aliran pada lubang masuk turbin titik 1,
diberikan sesuai dengan arah jarum jam, oleh :
Aliran massa antara 4 dan 5 = y1
Aliran massa antara 5 dan 6 = 1 – y1
Maka, Neraca energi pada pemanasan air umpan, yaitu :
Y1 h5 + 1 h2 = y1 h7 + h3
Y1 = h3 – h2 / h5 – h7
Contoh Soal
Suatu siklus rankine ideal beroperasi dengan uap pada 1000 psia, 1000°F. Siklus itu mempunyai satu
pemanas air umpan tertutup dengan kurasan berjenjang mundur yang ditempatkan pada 100 psia.
Tekanan kondensor 1 psia. Gunakan TTD = 5°F. Pemanas itu mempunyai pendingin kurasan sehingga
DC (beda suhu pendingin kurasan) = 10°F.
PENYELESAIAN :
Dilihat pada tabel ;
h1 = 1504,4 Btu/lbm ,h2 = 1228,6 Btu/lbm ,h3 = 923,31 Btu/lbm ,h4 = 69,73 Btu/lbm
h7 = 298,5 Btu/lbm
h5 = h4 + v4 (P5 – P4) = 69,73 + 2,98 = 72,71 berhubungan dengan suhu 104,72°F
Untuk TTD = 5°F
Jadi t6 = tT – 5 = 327,82 – 5 = 322,82°F
h6 = 293,36 Btu/lbm (melalui interpolasi)
Untuk DC = 10°F
t8 = t5 + 10 = 104,72 + 10 = 114,72°F
Jadi h8 = 82,69 Btu/lbm (melalui interpolasi)
ṁ2(h2 – h8) = h6 – h5
ṁ2 =
= 0,1926
DAFTAR PUSTAKA
Dendi Junaidi, dkk.2010. Kesetimbangan Massa dan Kalor Serta Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga
Uap pada Berbagai Perubahan Beban dengan Menvariasikan Jumlah Feedwater Heater. STTN-
BATAN & Fakultas Saintek UIN SUKA: Yogyakarta.
Pujowidodo, Hariyotejo.2012. Studi Desain Konseptual Sistem Balance of Plant (Bop) Pembangkit
Listrik Tenaga Uap (Pltu) Skala Kecil. Universitas Wahid Hasyim: Semarang.
M.M.El.Wakil. 1992. Instalasi Pembangkit Daya. Erlangga: Jakarta.