analisis eksergi

Bab 7: Eksergi T. A. Fauzi Soelaiman & Nathanael P. Tandian hal.: 7.1

BAB 7. ANALISIS EKSERGI Analisis Eksergi atau Availibilitas (Ketersediaan) dapat dipakai untuk mencari

lokasi, jenis dan besar kerugian atau kehilangan agar dapat mengefisiensikan penggunaan energi.

Informasi yang diperoleh dapat dipakai untuk merancang suatu sistem termal dan menurunkan ketidakefisienan sistem yang ada.

PENDAHULUAN Perhatikan sebuah sistem terisolasi sebagai berikut:

Sesuai dengan Hukum Termo 1: Sejalan dengan waktu, energi adalah kekal. Akan tetapi potensi pemakaian energinya turun.

Eksergi: sifat potensi pemakaian energi. Bila ada energi masuk (bahan, bakar, listrik, aliran massa, dll.), maka akan

keluar sesuatu dalam bentuk produk. Akan dipelajari: eksergi dapat dihilangkan oleh ketidakterbalikkan (tidak kekal seperti energi). eksergi dapat dipindahkan dari/ke sistem. Tujuan analisis: menentukan dimana eksergi dihancurkan dan kerugian terjadi, dan menentukan proses mana yang terpenting dan perlu diperbaiki. Dari Bab 5: bila dua sistem dari dua tingkat keadaan yang berbeda disatukan, maka kerja dapat diperoleh sampai kedua sistem tersebut setimbang.


Bila kedua sistem tersebut adalah sekeliling dan sistem tertutup, maka eksergi secara definisi adalah kerja teoritik maksimum yang dapat diperoleh hingga sistem tersebut mencapai kesetimbangan dengan lingkungannya (Atau kerja minimum bila sistem berubah dari dalam kesetimbangan dengan lingkungan ke suatu tingkat keadaan lain). Nilainya selalu positif. DEFINISI: a. Sekeliling (surrounding): semua yang di luar sistem. b. Sekeliling terdekat (immediate surrounding): bagian dari sekeliling yang

terdekat dengan sistem; oada daerag ubu sifat intensifnya dapat berubah akibat adanya interaksi dengan sistem.

c. Lingkungan (environment): bagian yang lebih besar dari sekeliling (di luar sekeliling terdekat, dapat diasumsikan pada T = 25oC (77oF), p = 1 atm, atau kondisi sebenarnya, dan dalam keadaan diam). Walau sifat-intensifnya selalu tetap, sifat-sifat ekstensifnya dapat berubah karena berinteraksi dengan sistem yang lain dan mempunyai hubungan sebagai berikut (Pers T-ds): Ue = To.Se po.Ve.

TINGKAT KEADAAN MATI (DEAD STATE)

Terjadi bila tingkat keadaan sistem = tingkat keadaan lingkungan. Bila tingkat keadaan suatu zat berbeda dengan lingkungan, maka akan ada kesempatan untuk menghasilkan kerja. Makin dekat tingkat keadaan zat dengan lingkungan, makin kecil kesempatan melakukan kerja ini. Bila tingkat keadaan keduanya sama, maka diperoleh tingkat keadaan mati, dimana keduanya mempunyai energi, tetapi eksergi sistem terhadap lingkungan adalah nol. PENURUNAN PERSAMAAN EKSERGI

Perhatikan suatu sistem kombinasi dengan batas yang dipilih sehingga hanya energi sebagai kerja yang dapat melewati batas sistem, sedangkan panas tidak. Volume sistem kombinasi dianggap konstan walau volume sistem tertutup dan volume lingkungan dapat berubah-ubah.

Neraca energi sistem kombinasi: Ec = Qc - Wc

dimana: Ec = (Uo E) + Ue dan Qc = 0. Dari Persamaan T-ds untuk lingkungan: Ue = To. Se po. Ve Sehingga: Ec = (Uo E) + (To. Se po.Ve)


Jadi: Wc =(E - Uo) (To. Se po. Ve) Karena volume total sistem kombinasi adalah tetap, maka Ve = - (Vo V) Jadi Wc = (E Uo) + po (V - Vo) To. Se Neraca entropi sistem kombinasi: Sc = c

dimana: Sc = (So S) + Se = c Masukkan persamaan ini ke dalam persamaan neraca energi, sehingga diperoleh:

Wc = (E Uo) + po (V Vo) To (S So) To.c Karena o 0, maka kerja maksimum, atau eksergi, sistem kombinasi ini adalah:

E = (E Uo) + po (V Vo) To (S So) (Terbukti)

EKSERGI Eksergi suatu sistem tertutup pada tingkat keadaan tertentu adalah [kJ, Btu]:

E = (E-Uo) + po(V Vo) To (S So) dimana: E = U + KE + PE, dan subskrip o menyatakan tingkat keadaan mati. Dalam bentuk intensif berbasis massa:

e = (e uo) + po (v vo) To (s so) atau

e = (u uo) + po (v-vo) To (s - so) + V2/2+gz Perubahan eksergi antara dua tingkat keadaan sistem tertutup:

E2 E1 = (E2 E1) + po (V2 V1) To (S2 S1) BEBERAPA ASPEK EKSERGI

a. Eksergi adalah ukuran jauhnya tingkat keadaan sistem dari lingkungan.

b. Eksergi adalah sifat (tidak bergantung pada proses) yang bergantung pada sistem dan lingkungannya.

c. Eksergi tidak dapat bernilai negatif karena semua sistem yang tidak berada pada tingkat keadaan lingkungan dapat dengan spontan berubah ke tingkat keadaan sekeliling.

d. Eksergi tidak kekal, tetapi dapat dihancurkan oleh ketakterbalikan.

e. Eksergi dapat seluruhnya hancur bila dibiarkan secara spontan ke tingkat keadaan mati.


KESETIMBANGAN EKSERGI UNTUK SISTEM TERTUTUP Dari kesetimbangan energi dan entropi (lihat penurunan di buku): Perubahan eksergi = (perpindahan eksergi yang mendampingi panas perpindahan eksergi yang mendampingi kerja) hancurnya eksergi (irreversibilitas)

To. = Ed = kehancuran eksergi (> 0 bila ketidakterbalikan terjadi, = 0 bila terbalikkan)

Perhatikan bahwa walau kehancuran eksergi (Ed) harus 0, tetapi E dapat bernilai positif, negatif atau nol.

Bentuk lain persamaan eksergi (berdasarkan laju): Untuk sistem yang terisolasi:

Eisolasi = -Ed|isol Karena Ed harus positif, maka eksergi sistem terisolasi hanya mungkin berkurang (kebalikan dari entropi). Dari: Dapat terlihat bahwa bila temperatur di lokasi perpindahan panas lebih rendah dari temperatur lingkungan, maka perpindahan panas dan perpindahan eksergi akan mempunyai arah yang berlawanan:

Bila Tb > To, maka Q searah dengan E. Bila Tb < To, maka Q berlawanan arah dengan E.

EKSERGI ALIRAN Laju perpindahan eksergi bersama kerja aliran suatu sistem = m (p.v po.v) Energi : me = m(u + V2/2 + gz) Eksergi : me = m[(e uo) + po (v - vo) To (s - so)] Eksergi aliran:

oob

o TVVpWQTT

= )]([1EE 1

2

1212

=

jdoj

j

o

dtdVpWQ

TT

dtd E1E

gzVssThh ooof ++= 2)(e2

=

jb

b

o QTT

dtd 1E


KESETIMBANGAN LAJU EKSERGI UNTUK VOLUME ATUR Kesetimbangan laju eksergi: Untuk keadaan tunak dan dengan satu masukan dan satu keluaran: Dimana:

+

=

j i edfeefii

CVoCVj

j

oCV mmdt

dVpWQ

TT

dtd

Eee1E

( ) +

=

jdffCVj

j

o mWQTT

Eee10 21

)(2

)()(ee 212

22

1212121 zzg

VVssThh off ++=


EFISIENSI HUKUM II ATAU EFISIENSI EKSERGI Menyatakan keefektifan pemakaian energi.

Balans energi: Balans Eksergi:

Jadi: Efisiensi Energy: Efisiensi Eksergi (Efisiensi Hk. Termo II): Ingin mendekati 100% dan Ts dan Tu sesuai. Untuk Ts = 2200 K dan = 100%, maka:

lus QQQ +=dl

l

ou

u

os

s

o QTT

QTT

QTT

E111 +

+

=

0%100 === ls

u QbilaQQ

=

=s

u

o

ss

o

uu

o

TTTT

QTT

QTT

01

1

1

1

( ) WQQQdtdE

lus =

doll

ou

us

s

o

dtdVpWQ

TT

QTT

QTT

dtd E111E 0

=


PEMAKAIAN EFISIENSI HUKUM TERMO II Asumsi: proses adiabatik, tunak. 1. TURBIN Atau: Efisiensi Eksergi Turbin (efektivitas penurunan eksergi menjadi kerja): 2. KOMPRESOR dan POMPA Efisiensi Eksergi Kompresor/Pompa (efektivitas konversi kerja yang dimasukkan menjadi kenaikan eksergi): 3. PENUKAR PANAS TANPA CAMPURAN

Efisiensi Eksergi Penukar Panas Tanpa Campuran (keefektivan penukaran eksergi panas ke dingin): 4. PENUKAR PANAS DENGAN CAMPURAN

Karena m3 = m1 +m2, maka

Efektivitas:

mmW dCV

ff

E

ee 21 +=

21 ee/

ff

CV mW=

mmW d

ffCV

E

ee 12 +=

( )mWCV ff /ee 12

=

( ) ( ) dffcffh mm Eeeee 3421 +=

( ))ee(

ee

21

34

ffh

ffc

mm

=

( ) ( ) dffff mm Eeeee 232311 +=

( )( )311 232 eeee

ff

ff

mm

=

( ) +

= dffCVj

jmWQ

TT

Eee10 210

( ) ( ) +++

= dfcfhfcfhCVj

jmmmmWQ

TT

Eeeee10 42310

( ) ++

= dfffCVj

jmmmWQ

TT

Eeee10 3322110

analisis eksergi

Documents