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.