Sumber Energi dan Sistem Pembangkit Tenaga beserta Latian Soal Kuliah/SBMPTN

Energy,  Sumber: pixabay.com

Ringkasan

1. Sumber-sumber energi adalah sinar matahari, listrik, minyak bumi , gas alam kayu, arang limbah dan uap. 

2. Besarnya energi surya yang dapat diserap kolektor (Qa) =α Aζir 

3. Tenaga yang dihasilkan dari listrik Q = w t 

4. Jenis- jenis minyak bumi  yang banyak digunakan dalam pengolahan pangan adalah bensin  ( nilai panas 45357 – 48264,5 kj /kg  ) dan minyak tanah ( nilai panas 43031 – 46078,1 kj /kg ) 

5. Uap banyak digunakan sebagai sumber energi dalam pengolahan pangan . Jenis uap adalah uap kering, uap basah dan uap lewat panas. Kandungan panas pada tiap kondisi tekanan dan suhu dapat diketahui pada tabel uap. 

6. Dalam sistem termodinamika tenaga atau tenaga kerja dapat diperoleh dari panas. Sistem carnot, rankine dan diesel. 

7. Pada siklus carnot kerja yang dihasilkan (Wk) = (∆T )( ∆S ) kJ/kg dan efisiensi (ηth)= 1 –( TL/ TH) 

8. Pada siklus rankine besarnya efisiensi panas ( ηth )= Wknet/ qi =  ( Wkt– Wkp)/ qb 

9. Pada siklus diesel besarnya efisiensi panas  = (qi– | qr| ) : qi= 1-(qr/qi)

Sumber energi 

Dalam pengolahan pangan dan hasil pertanian diperlukan energi panas. Panas dapat berasal dari berbagai sumber antara lain dari sinar matahari, pemakaian listrik, dan pembakaran kayu, arang, minyak, atau gas.

Sinar Matahari 

Pemanfaatan sinar matahari sebagai enersi panas dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung .Pemanfaatan sinar matahari secara tidak langsung harus menggunakan kolektor agar energi panas dapat disimpan lebih dulu. Terdapat dua jenis kolektor yaitu jenis plat datar ( flat plate collector ) dan lengkung ( concentrating collector ).

Panas yang dihasilkan dari sinar matahari tergantung pada konstanta sinar atau ada yang menyebut solar flux density. Besarnya konstanta solar bervariasi antara 1322 sampai 1395. Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi adalah  variasi radiasi, sudut penyinaran,  jam penyinaran,  letak geografis,  hari /bulan penyinaran  serta adanya lapisan/ cover. 

Besarnya energi panas yang diserap oleh badan kolektor dinyatakan pada persamaan :

Qa =  α A ζir 

ζir = r ζi

Qa =  panas yang diserap oleh badan kolektor (W, atau J/det) 

A  = luas permukaan badan kolektor (m2) 

ζir = energi yang masuk kolektor (W/ m2) 

ζi = solar flux  density (W/ m2)

r  = transmitance penutup α = absorbsivitas

Tenaga Listrik Besarnya panas yang dihasilkan dari tenaga listrik tergantung dari daya dan lama pemakaian 

Q  =  W x t 

Q  =  besarnya panas yang dihasilkan ( Joule ) 

W  =  besarnya daya  ( watt ) 

t     =  lamanya pemanasan ( detik )

Tenaga listrik dapat dihasilkan dari perputaran turbin yang dapat digerakkan dengan diesel , uap, angin, dan air.

Minyak Bumi 

Bahan bakar yang banyak digunakan dalam pengolahan pangan dan hasil pertanian antara lain bensin ( gasolin ) dan minyak tanah  ( kerosen ). Bensin mempunyai nilai panas 45357 – 48264,5 kJ / kg sedang nilai panas minyak tanah berkisar antara 43031 – 46078,1 kJ/ kg.

Gas Alam 

Gas alam banyak digunakan dalam kegiatan pengolahan pangan dan hasil pertanian baik ditingkat industri maupun rumah tangga. Jenis gas yang populer antara lain LPG. Jenis bahan bakar ini cukup fleksibel karena dapat disalurkan melalui pipa-pipa. Nilai panas dari beberapa jenis gas alam terlihat pada tabel 1.1.

Kayu, Batu bara dan Limbah 

Nilai panas kayu disamping dipengaruhi oleh jenis kayunya juga dipengaruhi oleh kadar air atau basah keringnya kayu (tabel 1.2).

Nilai panas batu bara tergantung tingkat metamorfomisnya, Ada yang hanya sampai tingkat bitumunous dan ada yang sampai lignitic. Tabel 1.3 menunjukkan beberapa tingkat metamorfomis arang dan nilai panasnya.

Limbah dari berbagai bahan juga masih mempunyai nilai panas yang tinggi. Tabel 1.4 menunjukkan nilai panas dari beberapa jenis limbah

Uap

Uap merupakan sumber panas yang banyak digunakan dalam pengolahan pangan dan hasil pertanian karena sifatnya fleksibel, ekonomis dan efisien, medium sterilisasi yang baik , dan memberikan transfer panas yang sangat mudah dan efisien. Ada bermacam-macam jenis uap yaitu : uap kering ( dry saturated steam ), uap basah ( wet steam ), dan superheated steam. Kandungan panas atau entalpi uap pada tiap kondisi tekanan atau suhu dapat dilihat pada tabel uap.. Nilai panas uap meliputi panas latent dan panas sensibel. Pnas sensibel ada jika terjadi penurunan suhu uap.

Soal-soal latihan

1. Kolektor energi surya tipe plat  permukaan absorbsinya dilapisi plat kaca untuk mengurangi kehilangan panas karena konveksi. Plat kaca mempunyai transmisivitas 0,75. Permukaan penyerap panas mempunyai absorbsivitas 0,95 dan luas permukaan penyerap kolektor 3 m2 . Jika solar flux density pada permukaan kaca 750 W/m2 Hitunglah  : 

a. Berapa energi yang masuk kolektor ( jawaban benar = 562,5  W/m2) 

b. Berapa energi surya yang diserap oleh kolektor ( 1603 W)

2. Suatu kompor listrik mempunyai daya 600 watt digunakan untuk memanaskan air sebanyak 1,5 liter  dari suhu 300C menjadi 900C. Hitung berapa menit waktu yang diperlukan . Diketahui panas spesifik air 4,2 kj/kg 0C .(10,5 menit )

3. Berapa panas yang dihasilkan dari 50 kuintal kayu kapas kering jika effisiensi pembakaran 80%. Diketahui nilai panas kayu kapas kering 13590 k cal/kg  ( 54360 000 k cal) 

4. Hitung kandungan panas uap pada suhu 2500 C dan tekanan 50 kPa  ( 2976 kj/kg)

Sistem Pembangkit Tenaga 

Dalam suatu sistem termodinamika , tenaga atau kerja dapat diperoleh dari panas , sistem penghasil tenaga ini ada beberapa macam yaitu :

1. Siklus carnot 

2. Siklus Rankine 

3. Siklus Diesel 

4. Siklus Otto 

5. Siklus Brayton 

6. Siklus Stirling dan Ericson

Siklus Carnot 

Siklus Carnot merupakan sitem pembangkit tenaga yang beroperasi antara dua perbedaan suhu, dan merupakan sistem empat proses yang bersifat dapat balik. Diagram termodinamika nya ditunjukkan pada Gambar 1.8

Siklus Carnot terdiri dari dua proses isotermal ( 2-3 ) dan ( 4-1 ) serta dua proses isentropik ( 1-2 ) dan ( 3-4 ). Kerja yang dihasilkan dari siklus Carnot :

Wk  = (∆T )( ∆S ) kJ/kg

dan efisiensi panasnya : ηth= 1 – ( TL/ TH) 

Pada kedua proses isentropik, kerja yang diserap dan yang dihasilkan merupakan fungsi perbedaan suhu (∆T) , sehingga kerja yang dihasilkan adalah nol  ( Wknet= 0 ). 

Pada proses isothermal, panas yang diserap sebanding dengan kerja yang dihasilkan dan merupakan fungsi suhu serta perbandingan tekanan. Kerja yang dihasilkan pada proses isothermal  :

Wknet=  MR ( T2-T3 - T1-T4)ln (p2/p3) =  M (∆T ) ( ∆ S ) ( kJ)

Siklus Rankine 

Siklus Rankine ( Steam Power Plant ) ada dua macam yaitu siklus rankine sederhana dan siklus rankine dengan pemanasan ulang. Yang akan dibahas adalah siklus rankin sederhana. Diagram blok siklus rankine tersebut ditunjukkan pada gambar 1.9 dan  1.10.

Aliran massa ( air ) dalam diagram tersebut meliputi tahap-tahap  : 

1-2      :  pemompaan kondensat ke boiler pada proses isentropik 

2-3      :  pemanasan air untuk menghasilkan uap pada proses isobarik 

3-4      :  ekspansi uap air melalui turbin pada proses isentropik 

4-1      :  kondensasi uap air yang keluar dari turbin

Oleh karena proses pemompaan pada tahap 1-2 merupakan proses isentropik maka kerja yang ditambahkan kedalam siklus adalah :  

Wkp = -v (p2– p1) ( kJ/kg )

Gambar 1.10 Diagram thermodinamika Siklus Rankin sederhana 

Uap air masuk turbin sebagai nuap jenuh: 1-2- 2’-3-4 

Uap air masuk turbin sebagai uap lewat panas: 1-2-2’-3-3’-4’

Nilai h2 adalah nilai enhalpi pada keadaan 1 (h1) ditambah kerja dari pompa. 

h2 = h1 + [Wkp] ( kJ/kg )

Nilai h1 diperoleh dari tabel uap air untuk cairan jenuh pada tekanan kondensat (Pc)

Panas yang ditambahkan pada proses isobarik ( 2-3 ) , meliputi dua tahap yaitu  pertama (2-2) untuk memanaskan cairan  untuk menaikkan suhu cairan subcooling menjadi suhu saturasi pada tekanan boiler, dan kedua (2-3) merupakan panas laten penguapan yaitu untuk merubah cairan jenuh menjadi uap jenuh. Apabila terjadi penambahan panas lagi , maka uap jenuh akan diubah menjadi uap lewat panas (3-3). Jumlah panas yang ditambahkan merupakan kenaikan enthalpi dari titik 2 ke 3 atau 3’. 

Uap jenuh: qb= h3– h2 ( kJ / kg ) 

Uap lewat panas: qb= h3’– h2 ( kJ / kg )

Nilai h3 , diperoleh dari tabel uap untuk keadaan 3 ( tekanan, suhu, dan kualitas uap atau uap lewat panas ). Kerja yang dihasilkan pada proses ekspansi isentropik (3-4) atau (3’– 4’) yaitu sebesar  : 

Uap jenuh: Wkt= h3– h4 ( kJ/kg ) 

Uap lewat panas: Wkt= h3’– h4’ ( kJ/kg )

Nilai h4 atau h4’ dapat ditentukan menggunakan ekspansi isentropik dua fase pada tekanan kondensat, yaitu menggunakan rumus kualitas : 

Uap jenuh:X  = ( S4– Sf4 ) / Sfg4 ; h4 = x hg4 + ( 1-x ) hf4= x hfg4 + hf4 

Uap lewat panas: X  = ( S4’– Sf4’ ) / Sfg4’ ; h4’ = x hg4’ + ( 1-x ) hf4’= x hfg4’ + hf4’

Pada proses isobarik (4-1), uap diubah menjadi cairan jenuh pada tekanan kondensat . Panas yang dikeluarkan  : 

Uap jenuh:qc=  h1– h4 ( kJ/kg); Uap lewat panas:qc=  h1– h4’ ( kJ/kg) 

Kerja yang dihasilkan sistem  : 

Wknet = ( Wkt– Wkp) (kJ/kg) 

Power/ tenaga yang dihasilkan sistem : 

P  = M Wknet ( kW )

M= kecepatan aliran massa  ( kg/dt ) 

Efisiensi panas siklus rankine :

ηth=  = Wknet/ qi =  ( Wkt– Wkp)/ qb 

Wkt = kerja yang dihasilkan turbin  ( kJ/kg ) 

Wkp = kerja yang diperlukan pompa    (kJ/kg) 

qi =  panas yang ditambahkan pada boiler (qb)      (kJ/kg)

Efisiensi panas siklus rankine dapat dilakukan dengan 

a. Penurunan tekanan kondensat 

b. Peningkatan tekanan boiler 

c.Peningkatan kualitas uap air yang meninggalkan turbin 

d.Penggunaan uap air lewat panas

Berdasar kurva saturasi, substansi berada pada keadaan T1 P1 .. Jumlah fase uap/gas yang ada dalam campuran jenuh cairan dan uap (gas) dinyatakan sebagai kualitas (x). Kualitas steam didefinisikan sebagai perbandingan massa fase uap (gas) dengan total massa dalam campuran. Nilai kualitas steam berkisar antara 0,00 (100% cairan penuh) sampai 1,00 (100% uap jenuh).

X  =  M uap /  M campuran  =  (v-vf)/(vg-vf)  =  (h-hf)/(hg-hf) = (s-sf)/(sg-sf)

Siklus Diesel 

Siklus diesel dikembangkan Rudolf Diesel. Siklus diesel merupakan mesin kompresi – pembakaran. Semakin tinggi rasio kompresi maka efisiensi diesel meningkat. Siklus diesel ini meliputi empat tahap : 

a. Kompresi massa udara 

b. Bahan bakar dimasukkan kedalam gas yang telah dikompresi. Kecepatan dan lama pembakaran diatas dengan pemasukan bahan bakar. 

c. Ekspansi produk hasil pembakaran 

d. Penggantian produk hasil pembakaran yang telah diekspansi dengan udara baru.

Diagram thermodinamika siklus diesel ditunjukkan pada gambar 1.11. Didalam siklus diesel terdapat empat dasar proses  thermodinamika yaitu, 

1-2  :   Kompresi adiabatik dapat balik ( proses isentropis ) 

2-3  :   Penambahan panas pada proses isobarik 

3-4  :  Ekspansi adiabatik dapat balik ( proses isentropik ) 

4-1  :  Pengeluaran panas pada proses isometrik.

Proses  1-2  merupakan proses kompresi adiabatik, sehingga sistem memerlukan kerja. Jumlah kompresi biasanya dinyatakan dalam rasio kompresi ( rc ) 

rasio kompresi : perbandingan vol gas masuk komprs dg vol gas terkompresi

 rc = V1/ V2

Proses 2-3 merupakan proses pembakaran pada tekanan tetap. Jadi terjadi penambahan panas , sehingga terjadi kenaikan suhu udara menghasilkan kerja. Jumlah panas yang ditambahkan bervariasi tergantung lamanya proses isobarik.Rasio V3dan V2disebut Cut Off Ratio.

Proses 3-4 

Proses 3-4 merupakan ekspansi adiabatik. Produk hasil pembakaran yang diekspansi menghasilkan kerja 

Proses 4-1 , merupakan proses pengeluaran panas pada volume konstan

panas yang dikeluarkan: qr 

qr = cv (T1 – T4) kJ/kg 

p1 = p4 (T1 : T4) kPa 

Wk  = 0 Efisiensi panas:  

 = (qi– | qr| ) / qi= 1-(qr/qi) 

qr = cv( T4–T1) 

qi= cp(T3– T2)

Berdasarkan rumus di atas ditunjukkan bahwa efisiensi panas naik dengan kenaikan rcdan turun dengan penurunan rco 

Kerja yang dihasilkan: sistem (Wknet) 

Wknet = MC (qi– qr) kJ 

Mc : massa udara = (p1V1) /(RT1) 

Wknet meningkat dengan:kenaikan p1 , rcdan rco

Power/tenaga yang dihasilkan: Po 

PO = Wknet(N) kw 

= Mc (qi -qr) (N) kw 

N = jumlah putaran (siklus) per detik = kecepatan mesin diesel

Soal -soal Latihan 

1. Stasiun orbit menggunakan mesin carnot dengan suhu sumber panas 10000 C dengan tekanan 50 kPa dan radiator beroperasi pada 3000 Cdengan tekanan 10 kPa. a. Hitung efisiensi panasnya ( 54,98%); b. Hitung Wk net apabila kecepatan massa air 0,2 kg/det. 2. Mesin pembangkit tenaga rankine mempunyai boiler yang beroperasi pada tekanan 

2 mPa dan tekanan kondensor 10 kPa, Diasumsikan uap air masuk turbin adalah uap jenuh. Hitung efisiensi panasnya ( 45% )

3. Mesin diesel beroperasi pada kompresi volumetrik dengan rasio 23:1 dan cut off ratio 2,25. Hitung efisiensi panasnya (       )

Daftar acuan

Early, R. L., 1983. Unit Operation in Food Processing. Second Ed, Pergamon Press, NewYork. 

Ibarz, A. 2003. Unit Operation in food processing. Yanniotis, S., 2008. Solving Problem in Food Engineering. Springer Science, New York.

diambil dari

Tim Pengempu. 2018. PRINSIP TEKNIK PANGAN DAN HASIL PERTANIAN (Bagian I. DASAR-DASAR KETEKNIKAN DALAM PENGOLAHANPANGAN DAN HASIL PERTANIAN). Jember: Fakultas Teknologi Pertanian Jurusan Teknologi Hasil Pertanian UNEJ.

Baca Juga Materi Aliran Fluida dan Contoh Soalnya

Share this post