Bab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.1BAB 7. ANALISIS EKSERGI Analisis Eksergi (Exergy) atau Ketersediaan (Availability) 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. PENDAHULUANPerhatikan 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 ada potensi untuk mendapatkan kerja, dan kerja dapat diperoleh sampai kedua sistem tersebut mencapai tingkat keadaan setimbang.Bab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.2Bilakeduasistemtersebut adalahsekelilingdansistemtertutup, makaeksergi secara definisiadalah kerja teoritik maksimum yang dapat diperoleh hingga sistem tersebut mencapai kesetimbangan dengan lingkungannya (Atau kerja minimumyangdiperlukanbilasistemberubahdari dalamkesetimbangan dengan lingkungan ke suatu tingkat keadaan lain). Nilainya selalu positif. DEFINISIKAN:a. Lingkungan (environment): sistem kompresibel sederhana yang berukuran besar serta mempunyai temperatur dan tekanan yang seragam (dapat diasumsikan pada To = 25oC (77oF), po = 1 atm, atau kondisi sebenarnya, dalam keadaan diam). Sifat intensifnya tidak berubah banyak walaupun berinteraksi dengan sistem yang lain. Lingkungan bebas dari ketidakterbalikkanb. Tingkat Keadaan Mati (Dead State): Terjadi bila tingkat keadaan sistem sama dengan 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 hilang 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 EKSERGIPerhatikan 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.Pada saat awal, energi sistem tertutup adalah E. Setelah dibiarkan di dalam environment, dan karena energi kinetik dan potential relatif terhadap environment, maka energi sistem tertutup menjadi Uo.Neraca energi sistem kombinasi: Ec = Qc - Wcdimana: Ec = (Uo E) + Ue dan Qc = 0.Dari Persamaan T-ds untuk lingkungan: Ue = To. Se po. VeSehingga: Ec = (Uo E) + (To. Se po.Ve)Jadi: Wc = (E - Uo) (To. Se po. Ve)Bab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.3Karena volume total sistem kombinasi adalah tetap, maka Ve = - (Vo V)Jadi Wc = (E Uo) + po (V - Vo) To. SeNeraca entropi sistem kombinasi: Sc = cdimana: Sc = (So S) + Se = c, atau Se = (So S) - cMasukkan persamaan ini ke dalam persamaan neraca energi, sehingga diperoleh:Wc = (E Uo) + po (V Vo) To (S So) To.cKarena o 0 dan E = U + KE + PE, maka kerja maksimum, atau eksergi, sistem kombinasi ini adalah[kJ, Btu]:E = (U Uo) + po (V Vo) To (S So) + KE + PE Dalam basis intensif[kJ/kg, Btu/lbm]:e = (u uo) + po (v-vo) To (s - so) + V2/2+gz Perubahan eksergi antara dua tingkat keadaan sistem tertutup:E2 E1 = (U2 U1) + po (V2 V1) To (S2 S1) + (KE2 KE1) + (PE2 PE1) BEBERAPA ASPEK EKSERGI:a. Eksergi adalah ukuran jauhnya tingkat keadaan sistem dari lingkungan.b. Eksergi adalah sifat sistem (tidak bergantung pada proses).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.Bab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.4 NERACA EKSERGI UNTUK SISTEM TERTUTUPNeraca energi dan neraca entropi dari sebuah sistem tertutup adalah:2121bU KE PE Q WQST + + _ + ,Kalikan neraca entropi dengan T0 dan kurangkan hasilnya dari neraca energi:( )2 20 0 01 1( )bQU KE PE T S Q T W TT _ + + , Kumpulkan suku yang mempunyai Q dan gunakan definisi eksergi sebelumnya sehingga diperoleh:202 1 0 2 1 01(E E ) ( ) (1 )bTp V V Q W TT Sehingga, Neraca Eksergi untuk Sistem Tertutup adalah:Perubahan eksergi = (perpindahan eksergi yang mendampingi panas perpindahan eksergi yang mendampingi kerja) hancurnya eksergi akibat ketidakterbalikan dalam sistem. 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|isolKarena Ed harus positif, maka eksergi sistem terisolasi hanya mungkin berkurang (kebalikan dari entropi).Dari:Terlihat bahwa bila temperatur di lokasi perpindahan panas lebih rendah dari temperatur lingkungan, maka perpindahan panas dan perpindahan eksergi akan mempunyai arah berlawanan (bandingkan dengan hubungan entropi dan panas): Bila Tb > To, maka Q searah dengan E. Bila Tb < To, maka Q berlawanan arah dengan E. NERACA LAJU EKSERGI UNTUK VOLUME ATUR o oboT V V p W QTT

,_

)] ( [ 1 E E1212 1 2 ,_

,_

jd o jjodtdVp W QTTdtdE 1E

,_

jbboQTTdtd1EBab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.5Berdasarkan neraca laju eksergi untuk massa atur, maka secara analogi dapat diperoleh Neraca Eksergi untuk Volume Atur:Untuk keadaan tunak dan dengan satu masukan dan satu keluaran:Dimana: Eksergi aliran (eksergi per satuan massa aliran, diturunkan dari neraca energi dan entropi, lalu mencari maksimum kerja yang dimungkinkan):Sehingga: + ,_

,_

j i ed fe e fi iCVo CV jjo CVm mdtdVp W QTTdtdE e e 1E ( ) +

,_

jd f f CV jjom W QTTE e e 1 02 1 ) (2) ( ) ( e e2 122212 1 2 1 2 1z z gV Vs s T h ho f f ++ gzVs s T h ho o o f+ + 2) ( e2Bab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.6 EFISIENSI EKSERGETIK ATAU EFISIENSI HUKUM IIMenyatakan keefektifan pemakaian energi.Balans energi (s = source, l = loss, u = use):Balans eksergi:Jadi, untuk kedua persamaan di atas:Efisiensi Energy:Efisiensi Eksergetik (Efisiensi Hukum Termo II), 1:Ingin mendekati 100% dan Ts dan Tu sesuai.Untuk Ts = 2200 K dan = 100%, maka:l u sQ Q Q + d llouuossoQTTQTTQTTE 1 1 1 +

,_

+

,_

,_

0 % 100 lsuQ bilaQQ

,_

,_

,_

suossouuoTTTTQTTQTT01111 ( ) W Q Q QdtdEl u s d o llouussodtdVp W QTTQTTQTTdtdE 1 1 1E0 1]1

11]1

,_

,_

,_

Bab 7: Eksergi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 7.7 PEMAKAIAN EFISIENSI EKSERGETIKAsumsi: proses adiabatik, tunak, KE = 0, PE =0.1. TURBINAtau:Efisiensi Eksergetik Turbin (efektivitas penurunan eksergi menjadi kerja), 1:2. KOMPRESOR dan POMPAEfisiensi Eksergetik Kompresor/Pompa (efektivitas konversi kerja yang dimasukkan menjadi kenaikan eksergi), 1:3. PENUKAR PANAS TANPA CAMPURANEfisiensi Eksergetik Penukar Panas Tanpa Campuran (keefektivan penukaran eksergi panas ke dingin), 1:4. PENUKAR PANAS DENGAN CAMPURANKarena m3 = m1 +m2, maka:Efisiensi Eksergetik Penukar Panas Dengan Campuran, 1:m mWd CVf fEe e2 2+ 2 2e e/f fCVm Wm mWdf fCVEe e2 2+ ( ) m WCVf f/e e2 2 ( ) ( )d f f c f f hm m E e e e e2 2 2 2 + ( )) e e (e e2 22 2f f hf f cmm( ) ( )d f f f fm m E e e e e2 2 2 2 2 2 + ( )( )2 2 22 2 2e ee ef ff fmm( ) +

,_

d f f CV jjm W QTTE e e 1 02 10 ( ) ( ) + + +

,_

d f c f h f c f h CV jjm m m m W QTTE e e e e 1 04 2 3 10 ( ) + +

,_

d f f f CV jjm m m W QTTE e e e 1 03 3 2 2 1 10