Ms3231 Ecs I 2018.pdf

MS3231 Energy Conversion Systems I Kelas 02: Hendi Riyanto (HR) Lab. Energi Termal FTMD-ITB [email protected] +62-853-5262-8000 2017/3/15

Introduksi MS3231 Sistem Konversi Energi I • 3 SKS • 3 dosen -- paralel serial • K01 -- 4101 • K02 -- 4102 • K03 -- 4104

• Tugas mandiri, UTS, UAS • Tugas kelompok (2 x) -- 3 mhs/kelompok

Jadwal • Selasa 11:00 - 11:50 • Kamis 07:00 - 08:40

2017/3/15

Buku Rujukan Frank Kreith (1999): Mechanical Engineering Handbook, CRC Press LLC. A.K. Raja, A.P. Srivastava, M. Dwivedi (2006): Power Plant Engineering, New Age International Publisher, Ltd., ISBN: 978-81224-2333-4.

Myer Kutz (2006): Mechanical Engineers' Handbook, Volume 4: Energy and Power, 3rd Edition, John Willey & Sons, Inc., ISBN: 13 9780-471-44990-4.

2017/3/15

Rencana Perkuliahan Kelas 01 (IND) R 4101

Kelas 02 (HR) R 4102 Konsep Dasar Konversi Energi & Audit Energi

24 & 26 Jan 2017

Fluida Refrigeran (IND)

Bahan Bakar Padat (HR)

Bahan Bakar Cair dan Gas (ArH)

III

31 Jan & 02 Feb 2017

Sistem Refrigerasi (IND)

Sistem Siklus Uap (HR)

Sistem Turbin Gas (ArH)

IV

07 & 09 Feb 2017

Bahan Bakar Cair dan Gas (ArH)

Fluida Refrigeran (IND)

Bahan Bakar Padat (HR)

V

14 & 16 Feb 2017

Sistem Turbin Gas (ArH)

Sistem Refrigerasi (IND)

Sistem Siklus Uap (HR)

VI

21 & 23 Feb 2017

Bahan Bakar Padat (HR)

Bahan Bakar Cair dan Gas (ArH)

Fluida Refrigeran (IND)

VII

28 Feb & 02 Mar 2017

Sistem Siklus Uap (HR)

Sistem Turbin Gas (ArH)

Sistem Refrigerasi (IND)

Minggu #

Tanggal

I

17 & 19 Jan 2017

II

Kelas 03 (ArH) R 4104

Ujian Tengah Semester (UTS) VIII

07 & 09 Mar 2017

Sistem Konversi Energi Hidro (IND)

IX

14 & 16 Mar 2017

Sistem Konversi Energi Bayu (IND) Sistem Konversi Energi Geotermal (HR)

X

21 & 23 Mar 2017

Sistem Motor Bakar CI (ArH)

Sistem Konversi Energi Hidro (IND)

Sistem Siklus Uap (HR)

XI

28 & 30 Mar 2017

Sistem Motor Bakar SI (ArH)

Sistem Konversi Energi Bayu (IND)

Sistem Konversi Energi Geotermal (HR)

XII

04 & 06 Apr 2017

Sistem Siklus Uap (HR)

Sistem Motor Bakar CI (ArH)

Sistem Konversi Energi Hidro (IND)

XIII

11 & 13 Apr 2017

Sistem Konversi Energi Geotermal (HR)

Sistem Motor Bakar SI (ArH)

Sistem Konversi Energi Bayu (IND)

XIV XV XVI

18 & 20 Apr 2017 25 & 27 Apr 2017

2017/3/15

Sistem Siklus Uap (HR)

Sistem Motor Bakar CI (ArH) Sistem Motor Bakar SI (ArH)

Sistem Konversi Energi Surya dan Bayu Diskusi Kelas / Presentasi Tugas Kelompok Ujian Akhir Semester (UAS)

Sistem Absensi Mandiri Absensi mandiri dikirimkan setiap setelah 4 kali pertemuan (per 2 minggu): • [email protected] Subjek: • MS3231-K02-13114023-A1/3-34/43/--/24 kelas absensi ke-1 NIM mhs

2017/3/15

dan jml hadir

jml mhs hadir per pertemuan

Topik - HR - Sesi 1 Tinjau ulang konsep dan prinsip dasar konversi energi. • Kreith: 2, 3, 4. • Kutz: 2, 3, 4, 5. Bahan bakar padat. • Kreith: 7.3. • Kutz: 19. • Raja: 7.1, 7.2, 7.3. Sistem pembangkit daya siklus uap. • Kreith: 8.1. • Kutz: • Raja: 4. 2017/3/15

Topik - HR - Sesi 2 Sistem konversi energi geotermal. • Kreith: 7.8, 8.12. • Kutz: 21. • Raja: 2.20. Sistem konversi energi surya. • Kreith: 7.6, 8.10. • Kutz: 20. • Raja: 2.16 Konsep dasar audit energi. • Kreith: • Kutz: 7. • Raja: 2017/3/15

1 Tinjau Ulang Konsep Konversi Energi – 1/5 Tugas mandiri: diberikan Selasa  diserahkan Kamis (minggu depannya) • MS3231-K02-THR01-13114001 (subjek dan berkas) Ringkasan maksimal 5 lembar A4, format pdf (sertakan diagram dan sketsa). • Kreith: 2, 3, 4  nim gasal • Kutz: 2, 3, 4, 5  nim genap Pilah dan pilih terpenting.

2017/3/15

1 Tinjau Ulang… – 2/5 Termodinamika Teknik (2 lembar): • Sifat zat  grafik, tabel, program aplikasi. • Hukum I Termodinamika volume atur (energy). • Hukum II Termodinamika volume atur (exergy). • Diagram proses: • Siklus Carnot. • Siklus Rankine. • Siklus Brayton. • Siklus Otto. • Siklus Diesel. • Siklus Refrigerasi.

2017/3/15

1 Tinjau Ulang… – 3/5 Mekanika fluida (1 lembar): • Tekanan gauge – tekanan absolut. • Aliran internal: • Bilangan Reynolds  laminer / turbulen. • Faktor friksi. • Rerugi minor.

• Jaringan pipa. • Aliran eksternal dan prinsip mesin turbo

2017/3/15

1 Tinjau Ulang… – 4/5 Perpindahan panas (2 lembar): • Konduksi: • 1-D: dinding datar dan dinding silinder. • Rangkaian tahanan termal. • UA

• Konveksi: • Bilangan Nusselt.

• Paksa - internal: • Bilangan Reynolds  laminer / turbulen. • Bilangan Prandtl. • Bebas: • Bilangan Grashoff / Rayleigh  laminer / turbulen.

• Bilangan Prandtl.

• Radiasi: • Benda kelabu. 2017/3/15

• Rangkaian tahanan termal.

1 Tinjau Ulang… – 5/5 Pertanyaan? Diskusi?

2017/3/15

Tugas Kelompok/Grup/Tim Tugas#1: masuk sebelum UTS Tugas#2: masuk sebelum UAS Kelompok/Grup/Tim: maksimum 3 orang Topik: • Tugas#1: pilih 1 di antara topik Sesi I (s.d. UTS) • Tugas#2: pilih 1 di antara topik Sesi II (setelah UTS s.d. UAS)

MS3231-K02-T01-13113001/13114020/13114100

2017/3/15

Sistem Pembangkit Daya Siklus Uap

2017/3/15

2 Bahan bakar padat – 1/12 Tugas mandiri – diberikan pada Selasa  dikumpulkan pada Kamis (minggu depannya) • MS3231-K03-THR02-13114002 (subjek dan berkas pdf) Ringkasan maksimal 4 halaman A4, format pdf. • Kreith: 7.3  nim berakhir 0 s.d. 3. • Kutz: 19  nim berakhir 4 s.d. 6. • Raja: 7.1, 7.2, 7.3  nim berakhir 7 s.d. 9. Pilah dan pilih terpenting.

2017/3/15

2 Bahan… – 2/12 Dua bahan bakar padat lazim: • Batu bara (fosil – tak terbarukan) • Biomassa (terbarukan) • Nuklir (baru) Batu bara: • Klasifikasi (tipe, rank) • Kondisi fisik (moist, dry, mineral-matter, ash) • Sumber energi (fixed carbon, volatile matter, C, H, O, S) • Uji kualitas (proximate, ultimate) • Standar (ASTM/ANSI)

2017/3/15

2 Bahan... – 3/12 Batu…: • Sifat (swelling, fusibility, hardness) • Kandungan energi (GCV, HHV, NCV, LHV, Dulong) • Aspek lingkungan (penambangan, pembuangan abu)

Biomassa: • Proses (fotosintesis) • Kandungan bio (selulosa, hemiselulosa, lignin) • Sumber energi (fixed carbon, volatile matter) • Kandungan energi (GCV, NCV) • Metode pemanfaatan (direct combustion, gasification, pyrolysis, anaerobic digestion, liquefaction. torrefaction) 2017/3/15

2 Bahan... – 4/12 Klasifikasi batu bara: • Type • Rank Tipe batu bara  muasal bahan batu bara • maceral

Rank batu bara  umur, coalifiation • Standar ASTM D 388 • anthracite, bituminous, subbituminous, lignite

• Energi: GCV, fixed carbon, volatile matter, moisture content

2017/3/15

2 Bahan… – 5/12

2017/3/15

2 Bahan… – 6/12 Satuan nilai kalor (calorific value) • SI  kJ/kg • British/US  Btu/lb • Engineering (continental)  kcal/kg Konversi satuan: • 1 Btu = 1,055 kJ • 1 kcal = 4,18 kJ • 1 lb = 0,454 kg Proxymate analysis:  ASTM D 3172 • Fixed carbon (FC), volatile matter (VM), moisture content (MC), ash Moisture content  ASTM D 3173 2017/3/15

2 Bahan… – 7/12 Ash content  ASTM D 3174 Volatile matter  D 3175 Sulfur content  ASTM D 2492 (Kreith), ASTM D 3177 (Kutz, all three methods)

Nilai kalor (calorific value)  ASTM D 2015 M atau ASTM D 3286 • ASTM D 2015 M  adiabatic bomb calorimeter • ASTM D 3286  isothermal-jacket bomb calorimeter

2017/3/15

2 Bahan… – 8/12 Ultimate analysis  ASTM D 3176 M • C, H, O, N, S Coal sample to test • Moist (as-received) • Air dried basis (ADB) • Dry mineral-matter free • Dry ash free Pendekatan nilai kalor  Dulong, Btu/lb, mass fraction

2017/3/15

2 Bahan… – 9/12 Konsep pembakaran

2017/3/15

2 Bahan… – 10/12 Hubungan GCV – NCV (HHV – LHV) • Entalpi pada tekanan parsial H2O dalam gas

asap. • Bagaimana cara menghitung tekanan tersebut?

2017/3/15

2 Bahan… – 11/12 Pendekatan fixed carbon, valatile matter, nilai kalor dari asreceived basis:

2017/3/15

2 Bahan… – 12/12 Grindability  ASTM D 409, Hardgrove Grindability Index (HGI) Free swelling index  ASTM D 720 Ash fusion temperature  ASTM D 1857

2017/3/15

3 Konversi Energi Siklus Uap – 01/11 Tugas mandiri: Selasa  Kamis (minggu depannya) • MS3231-K02-THR03-13114003 Ringkasan maksimal 8 lembar A4, format pdf. • Kreith: 8.1  nim 0 s.d. 4 • Raja: 4  nim 5 s.d 9

Pilah dan pilih terpenting.

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 02/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 03/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 04/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 05/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 06/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 07/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 08/11

3 …Siklus Uap – 09/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 10/11

2017/3/15

3 …Siklus Uap – 11/11 HP Turbine (Cylinder)

2017/3/15

IP Turbine (Cylinder)

LP Turbine (Cylinders)

4 Konversi Energi Geotermal – 01/13 Tugas mandiri: Selasa  Kamis (minggu depannya) • MS3231-K02-THR04-1311404 Ringkasan maksimal 6 lembar A4, format pdf. • Kreith: 8.12  nim 7 s.d 9 • Kutz: 21  nim 4 s.d. 6 • Raja: 2.20  nim 0 s.d. 3 Pilah dan pilih terpenting.

2017/3/15

4 … Geotermal – 02/13 Motivasi: • Indonesia  potensi geotermal melimpah • Sumur geothermal  investasi tinggi (setara dengan biaya pengeboran minyak dan gas) Ragam sumber energi geotermal: • Hydrothermal • Vapor dominated • Liquid dominated

• Hot Dry Rock and Magma (Hot Igneous) • Geopressure (Conduction Dominated)

2017/3/15

4 … Geotermal – 03/13

2017/3/15

4 … Geotermal – 04/13 Konversi energi geotermal Direct use drying, curing, processing Power generation

geothermal power plant Heat pump

space heating (inapplicable in Indonesia)

2017/3/15

4 ... Geotermal – 05/13 Geothermal power plant - direct steam conversion (vapor dominated)

2017/3/15

4 ... Geotermal – 06/13 4000 10000 kPa 800 kPa

3500

500 kPa 100 kPa

3000

h [kJ/kg]

1 kPa

2500 0.9

2000

0.8

0.6

1500 0.4

1000 500 2.0 2017/3/15

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

s [kJ/kg-K]

9.0

10.0

11.0

12.0

4 ... Geotermal – 07/13 Geothermal power plant - flashed steam conversion

2017/3/15

4 ... Geotermal – 08/13 4000 10000 kPa 800 kPa

3500

500 kPa 100 kPa

3000

h [kJ/kg]

1 kPa

2500 0.9

2000

0.8

0.6

1500 0.4

1000 500 2.0 2017/3/15

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

s [kJ/kg-K]

9.0

10.0

11.0

12.0

4 ... Geotermal – 09/13 Geothermal power plant - two-stage flashed steam conversion

2017/3/15

4 ... Geotermal – 10/13 Geothermal power plant - binary system

2017/3/15

4 ... Geotermal – 11/13 Geothermal power plant - hybrid system

2017/3/15

4 ... Geotermal – 12/13 Geothermal power plant - hybrid system

2017/3/15

4 ... Geotermal – 13/13 Contoh: Fluida geotermal pada 10 bar-a cair jenuh diproduksi dari sekelompok sumur geotermal. Fluida tersebut diturunkan tekanannya hingga 7 bar-a dan fraksi uapnya digunakan untuk menggerakkan turbin uap (efisiensi 0.78). Tekanan kondensor ditetapkan sebesar 0.09 bar-a. Berapa ton/h fluida geotermal yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya turbin sebesar 30 MW?

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 01/20 Tugas mandiri: Selasa  Kamis (minggu depannya) • MS3231-K02-THR05-13114004 Ringkasan maksimal 8 lembar A4, format pdf. • Kreith: 7.6 & 8.10  semua nim. Pilah dan pilih terpenting.

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 02/20 Energi surya: gelombang elektromagnetik Pemanfaatan energi surya: • Radiasi tampak (0.4 μm - 0.7 μm) : fotovoltaik, fotosintesa, daylighting (pencahayaan alamiah). • Radiasi termal (0.1 μm - 100 μm): pemanas air, refrigerasi siklus absorbsi, pembangkit tenaga. Karakteristik energi surya: • Tersedia pada siang hari saja. • Bisa tertutup awan. • Atmosfer bumi berpartisipasi dengan radiasi. • Posisi matahari berubah terhadap waktu. • Langit (difuse, baur) dan piringan surya (beam, sorot) • Sudut deklinasi bumi berubah sepanjang waktu (siklus musim) 2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 03/20 Yang perlu dipahami tentang sumber energi surya: • Ilmu Falak (perbintangan) untuk menghitung posisi piringan surya (planet dan bintang) di (kubah) langit terhadap posisi pengamat di bumi. • Januari 1 = hari ke-1. • Sudut deklinasi surya (- 23o45' s.d. + 23o45'). • Waktu surya ≠ waktu geopolitik. • Fluks iradiasi (solar insolation) yang mencapai bumi (di luar atmosfer bumi). • Pengaruh atmosfer dan awan terhadap fluks iradiasi mencapai posisi di permukaan bumi.

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 04/20 Radiasi Surya

AM = air mass

Io = solar constant

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 05/20 Posisi Surya di Kubah Langit (sky hemisphere)

Solar Altitude Angle

Solar Azimuthal Angle

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 06/20 Surya - Bumi Spring Equinox

Summer Solistice

Winter Solistice

Fall (Autumn) Equinox 2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 07/20 Pengaruh jarak Surya-Bumi terhadap Konstanta Surya (solar constant - extra terrestrial irradiation - AM0)

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 08/20 Iradiasi pada bidang horizontal • Beam • Diffuse

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 09/20

δ = solar declination angle H = hour angle

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 10/20

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 11/20 Iradiasi surya pada bidang datar berkemiringan

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 12/20

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 13/20 Pemanfaatan energi surya (termal) • Solar collector

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 13/20

Reflektor

Collector 2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 14/20

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 15/20

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 16/20 Kurva efisiensi Flat Plate Collector

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 17/20 Pemanfaatan energi surya • Solar pond (kolam surya)

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 18/20

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 19/20

2017/3/15

5 Konversi Energi Surya – 20/20

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 01/... Manajemen energi: • Tata kelola sumber finansial, peralatan dan manusia (sumber daya manusia) pada suatu entitas untuk meningkatkan efisiensi energi. • Mencatat penggunaan energi, pola operasi, performansi perlatan secara rutin dan kontinu.

Audit energi: • Survei energi (input-output) terhadap suatu entitas (pabrik, perkantoran, rumah tangga, dll) dengan tujuan untuk memahami pola dan karakteristik konsumsi energinya dan kemudian menyelediki peluang peningkatan efisiensi energi.

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 02/... Auditor energi: • Seorang atau tim independen yang melakukan survei terhadap komponen pengonsumsi energi pada suatu entitas dan melakukan analisis efisiensi (intensitas konsumsi energi - IKE atau indeks performansi) setiap komponen pengonsumsi energi. • Melakukan benchmarking (pembandingan) indeks performasi terhadap kelaziman (best practice) ataupun peraturan (regulasi) yang berlaku di suatu daerah. • Melakukan pengukuran (bila analisis hasil survei diragukan hasilnya) terhadap komponen pengonsumsi energi untuk mengetahui lebih dalam performansinya.

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 03/... Proses audit energi: • Tingkat sederhana, murah dan mudah (preliminary): walkthrough, data sekunder (rekening tagihan listrik), spesifikasi peralatan (komponen, bangunan), pola operasi peralatan (komponen) dan wawancara dengan pengguna (operator dan teknisi perawatan) entitas. • Tingkat rinci melalui pengukuran (detailed audit): selain melakukan hal-hal tersebut di atas, melakukan pengukuran terhadap input dan output energi baik secara langsung maupun tidak. • Analisis energi (heat and mass balance). • Benchmarking. • Penentuan peluang peningkatan efisiensi (konservasi/penghematan) penggunaan energi (energy conservation opportunity) • Pembuatan laporan (simpulan dan rekomendasi: quick-win, medium term, long term). 2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 04/... IKE Bangunan

1 kBtu = 0.2931 kWh 1 ft2 = 0,0929 m2 2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 05/... IKE Bangunan di Indonesia Kategori

Tanpa A/C

Ber-A/C

Hemat

10 - 20

50 - 95

Sedang

20 - 30

95 - 145

30 - 40

145 - 175

Sangat Boros

40 - 50

175 - 285

Amat Sangat Boros

--

285 - 450

Boros

2017/3/15

Satuan

2

kWh/m /thn

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 06/... Pencahayaan 1 footcandle = 10,7639 lux

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 07/... Sirkulasi Udara (Ventilasi) cfm - ft3/menit

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 08/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 09/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 10/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 11/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 12/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 12/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 13/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 14/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 15/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 16/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 17/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 18/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 19/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 20/...

2017/3/15

6 Manajemen Energi dan Audit Energi – 21/...

2017/3/15

MS3231 Sistem Konversi Energi I

Selesai

2017/3/15

Pengumpulan Tugas Kelompok Kirim email dengan subjek dan nama naskah presentasi (powerpoint) yang berikut ini ke alamat yang berikut ini. MS3231-K02-THR06-13114001 (NIM Ketua Kelompok) [email protected]

2017/3/15

Kepatuhan terhadap Instruksi Tata cara pengumpulan Tugas Mandiri sudah diberikan secara gamblang, yaitu: • MS3231-K02-THR04-13114021 • Format PDF • [email protected] Mereka yang tidak mematuhi tata cara di atas dianggap tidak mengumpulkan Tugas Mandiri.

2017/3/15

Pengakuan Presensi Mahasiswa Kirim email dengan subjek yang berikut ini ke alamat yang berikut ini. MS3230-K02-13114023-A1/3-34/43/--/24 [email protected]

2017/3/15