MAKALAH TERMODINAMIKA PEMICU III – POWER POWER CYCLES AND REFRIGERATION CYCLES
Disusun Oleh : Kelompok 1
Ahmad Tibrizi Bilqis Nur Fadhilah Fatima Vanessa Ja’far Abduabdillah A. Kemas Ahmad S. Zata Amalia S.
(1406568305) (1406568305) (1606871341) (1606871341) (1606907865) (1606907865) (1606907770) (1606908022) (1606908022) (1706104451) (1706104451)
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, 2018
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan dan mencurahkan berkat serta rahmatnya, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini tepat pada waktu yang telah ditentukan. Tak sedikit kendala yang kami alami dan hadapi dalam penyelesaian makalah ini, namun semua itu tidaklah menurunkan niat kami untuk dapat menyelesaikan makalah ini dengan maksimal dan tepat waktu. Rasa serta ucapan terima kasih juga kami ucapkan kepada pihak-pihak yang telah membantu kami dalam proses pembuatan hingga penyelesaian makalah ini. Dimana pihak pihak tersebut antara lain, Ibu Dr. Ir. Praswasti Pembangun Dyah Kencana Wulan M.T. selaku dosen Termodinamika, teman-teman kelompok lain dalam kelas yang telah memberikan kritik serta sarannya, dan keluarga yang telah memberikan dukungan terhadap kami. Akhir kata, semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi banyak orang dan dapat dipergunakan sebaik-baiknya. Segala kritik dan saran akan terima demi meningkatnya ilmu pengetahuan dan perbaikan dalam membuat membuat makalah lainnya.
Depok, 2 April 2018
Kelompok 1
DAFTAR ISI
Halaman Sampul ............................................................ .................................................................................. ............................................. .................................. ........... 1 Kata Pengantar ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................ .............................. ........ 2 Daftar Isi ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ......................................... ................... 3 Soal dan Pembahasan .......................... ................................................. .............................................. ............................................. ..................................... ............... 4 Daftar Pustaka .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ................................ .......... 36
BAB I SOAL DAN PEMBAHASAN
Assignment 1 : TOPIK 1 : Siklus Pembangkit Tenaga Uap Sederhana Kemarin Budi mendapat tugas dari pimpinannya untuk mengevaluasi kinerja dari suatu unit pembangkit uap yang terdapat dalam pabrik tersebut. Sebagai seorang engineer yang baru diterima kerja,ia berusaha untuk melaksanakan tugasnya tersebut dengan sebaik-baiknya. Berdasarkan data vendor pabrik yang diperolehnya, sistem pembangkit uap ini sangat sederhana sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini.
Gambar 1. Sistem Pembangkit Tenaga Uap Dalam tugas ini, Budi diminta untuk memberikan laporan evaluasi terhadap kinerja unit pembangkit tersebut. Di samping itu dipelajari pula bahwa siklus Carnot dikenal sebagai siklus yang paling efisien. Siklus ini terdiri dari rangkaian yang berselang-selang antara dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel. Siklus Carnot sudah menjadi siklus acuan yang ideal dan kemudian model-model lain dibuat untuk mewakili secara lebih dekat apa yang sebenarnya terjadi pada siklus nyata. Siklus Rankine merupakan salah satu siklus alternatif yang dibuat mendekati proses yang nyata. Tugas 1: a. Saat kita membicarakan siklus termodinamika, maka kita sudah melibatkan hukum termodinamika. Hukum kedu termodinamika mengenal istilah entropi. Menurut kelompok anda apa yang disebut dengan entropi ? Jika sebuah tangki pejal mengandung gas ideal pada 40 0C yang sedang digerakkan oleh roda dayung. Roda dayung melakukan kerj a 200 kJ dan mengikuti gas ideal. Seperti terlihat pada gambar 2. Hal ini diamati bahwa suhu gas yang ideal tetap konstan selama proses ini sebagai hasil perpindahan panas antara sistem dan lingkungan di 30 0C. Tentukanlah perubahan entropi gas ideal. Jawab:
Entropi merupakan suatu nilai atau keadaan dalam termodinamika yang menggambarkan suatu keadaan dari suatu keadaan dari suatu sistem atau dengan kata yang lebih mudah. Suatu keadaan “disorder ” dalam sistem. Pada mesin Carnot, kita mengetahui bahwa suatu kalor yang masuk dapat dilakukan proses reversible sehingga memiliki nilai efisien yang mencapai sehingga didapatkan :
dQH = QC T H Tc dQH dQC = 0 TH dQ TC TRev = 0
Dimana persamaan ini menunjukkan bahwa siklus Carnot. Nilai Q dan nilai T akan kembali menuju keadaan awalannya. Sama hanya dengan temperature, tekanan, dan energy dalam. Nilai dari perubahan kalor per temperature di atas merupakan enropi.
dQRev = dS T
Asumsi : o Closed-System o Gas Ideal Rumus Entropi :
= 313 = 303
= = 3 ∆ ∆ = 2 ∆ = 32 8.314303313 ∆ = 124.71 = ∆ = 200 124.71 = 75.29 = 75.29 = 303
= 0.248
Gambar 2. Skema Sistem Pengenalan Entropi
b. Jika anda berperan sebagai seorang engineer memiliki tugas seperti Budi, langkah-langkah apa yang akan anda lakukan untuk mengevaluasi kinerja unit pembangkit di atas? Mengapa evaluasi ini perlu dilakukan? Dan bilamana evaluasi ini dilakasanakan? Jawab:
Gambar 3. Skema Sistem Rankine (Pembangkit Uap) Sumber : Moran. 2008. Fundamental of Thermodynamics Evaluasi kinerja pembangkit uap dapat ditinjau dari komponen-komponen utamanya,
yaitu : 1. Turbin Uap dari boiler pada keadaan 1, mengalami kenaikan temperatur dan tekanan, dan melebar melalui turbin untuk dihasilkan kerja, kemudian dikeluarkan ke condenser pada keadaan 2 dimana memiliki tekanan yang rendah. Pada turbin, perpindahan panas, diabaikan di dalam persamaan neraca massa dan energi, dan dianggap dalam keadaan steady state. Selain itu, energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Persamaannya menjadi:
Dimana Wt/ m yaitu kerja pada turbin per unit massa gas yang melewati turbin. 2. Kondenser Pada kondenser, terdapat perpindahan panas, dari f luida yang bekerja ke air pendingin yang mengalir pada stream yang berbeda. Fluida yang bekerja akan terkondensasi, dan temperature pada air pendingin akan meningkat. Keadaan ini dianggap steady state, dimana persamaannya menjadi:
Qout/ m yaitu energi yang di pindahkan dari panas fluida yang bekerja ke air pendingin per unit massa fluida bekerja saat masuk ke kondenser. 3. Pump Hasil cairan terkondensasi akan meninggalkan condenser pada keadaan 3, dan kemudian masuk ke pompa untuk masuk ke boiler tekanan tinggi. Pada pompa, dianggap tidak ada panas yang masuk. Jadi persamaannya menjadi:
W p/ m yaitu, kerja yang masuk per unit massa yang melalui pompa. 4. Boiler Fluida yang bekerja akan menyelesaikan siklusnya saat cairan meninggalkan pompa pada keadaan 4, dimana disebut juga boiler feedwater . Pada boiler, fluida akan dipanaskan sampai jenuh dan terevaporasi pada boiler. Kemudian akan dikeluarkan ke keadaan 1 dari keadaan 4. Persamaannya yaitu:
Qin/ m yaitu energi yang diberikan kepada fluida yang bekerja per unit massa yang masuk ke dalam boiler. c. Bagaimana menurut anda perbedaan proses yang terjadi dalam siklus Carnot, siklus Rankine, dan siklus proses nyata? Jawab: 1. Siklus Carnot a) Fluida yang digunakan berupa vapor/gas. b) Terdiri dari 4 proses, yaitu 2 proses isotermal dan 2 proses adiabatik. c) Siklus termodinamika ideal yang reversibel. d) Tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang mutlak reversibel dalam keadaan nyata, tetapi dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.
Gambar 4. Siklus Carnot Ideal Sumber : https://www.academia.edu/22579424/Siklus_Carnot_dan_Hukum_Termodinamika_ II 2. Siklus Rankine a) Fluida yang digunakan berupa liquid/cairan. b) Terdiri dari 4 proses, yaitu 2 proses isentropik dan 2 proses isobarik. c) Dikembangkan untuk mengatasi kelemahan siklus Carnot (dihambatnya kemampuan boiler menghasilkan uap superheated oleh kondisi isotermal).
Gambar 5. (a) Skema Siklus Rankine (b) Lintasan Siklus Rankine pada Diagram TS Sumber : Ertanto Vetra. Vapor Power Cycle.
3. Siklus Proses Nyata
Proses yang terjadi irreversibel. Terjadi pressure drop di dalam exchangers (kondensor dan boiler) dan sistem perpipaan. Entropi pada pompa dan turbin akan selalu meningkat (selama proses kompresi dan ekspansi berlangsung) atau dapat dikatakan tidak isentropik.
Keluaran dari kondensor adalah subcooled untuk menghindari kavitasi pada pompa. Sebuah mesin nyata (real ) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur TH dan TC tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.
Gambar 6. Siklus Proses Nyata Sumber : Ertanto Vetra. Vapor Power Cycle.
d. Hilda Received an assignment from her thermodynamics course instructor who asked students to derive the equation to calculate the efficiency of a carnot engine:
= 1
complete hilda’s assignment by yourself. Hilda learned that the high temperature source could be a combustion chamber where mixture of air and coal could react and reach temperature of 700 K. What is the value of the carnot engine efficiency calculated by hilda? Explain why the efficiency value of an the carnot heat engine is higher than the typical efficiency value of an actual heat engine (<0,4)? Jawab: Siklus Carnot terdiri dari proses-proses reversible, yaitu dua proses adiabatik reversible dan dua proses isothermal reversible. Berikut merupakan diagram PV untuk siklus Carnot :
Gambar 7. Diagram PV untuk siklus Carnot untuk gas ideal Sumber : http://web2.uwindsor.ca/courses/physics/high_schools/2013/SteamEngine/Physics%20Carnot %20Cycle.html)
Untuk mesin kalor, efisiensi mesin (η) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diberikan. Secara matematis dapat ditulis kan sebagai berikut.
|| = 1 || = |ℎ| |ℎ|
Berdasarkan diagram PV, dapat dilihat pada proses A ke B dan C ke D merupakan proses isothermal dengan persamaan :
|ℎ| = ln = ln |ℎ| = ln || ln = dan
Sementara untuk proses adiabatiknya, dengan dQ = 0, didapatkan,
Dengan mengintegralkan persamaan tersebut untuk masing-masing proses D ke A dan B ke C, didapatkan
∫ = ln ∫ = ln ln = ln ln = ln |ℎ| = || || = 1 || = 1 = |ℎ| |ℎ| dan
Karena suku kiri persamaan tersebut sama, maka dan
Maka dari itu
Nilai efisiensi termal dari teorema Carnot menjadi
Dalam soal, suhu panas didapatkan dari pembakaran batubara dengan udara. Sesuai dengan literature pada IEA Mengenai temperature pembakaran batubara.
dipakai suhu cold nya adalah 25 oC (298K). sehingga T h = 700 K dan T c = 298 K. Efisiensi mesinnya sesuai teori adalah
= 1() = 1(298 700) = 0,57 ′ = 1() = 1(298 700) = 0,35
Setelah itu untuk mengetahui Power maksimum Actual Mesin carnot digunakan rumus
Explain why the efficiency value of an the carnot heat engine is higher than the typical efficiency value of an actual heat engine (<0,4)? Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T2 harus = 0 K. Hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikkan) tidak seperti mesin carnot. e. Bagaimana pengaruh kondisi operasi dan konfigurasi suatu siklus terhadap nilai efisiensi secara keseluruhan? Dan bagaimana pengaruh sifat irreversibilitas terhadap siklus tenaga? Jawab : Batasan dari kinerja sistem yang melalui siklus daya dapat dijelaskan dengan pernyataan Kevin-Planck mengenai hukum ke-2. Contohnya dapat dilihat pada siklus tenaga berikut yang berhubungan termal dengan reservoir panas dan dingin dan menghasilkan kerja bersih W cycle. Efisiensi termal dari siklus tersebut adalah:
= = 1
Dengan adalah η adalah efisiensi termal, Q H adalah jumlah energi yang diterima sistem dari reservoir panas melalui perpindahan panas dan Q C adalah jumlah energi yang dilepaskan dari sistem ke reservoir dingin melalui perpindahan kalor. Jika nilai QC adalah nol, sistem akan menarik energi QH dari reservoir panas agar dapat menghasilkan kerja yang sama, sehingga menjaga efisiensi termal dari sistem tersebut. Namun, keadaan tersebut melanggar pernyataan Kevin-Planck dan tidak dapat diaplikasikan. Sehingga sistem apapun yang melalui siklus tenaga di antara dua reservoir, hanya sebagian dari Q H yang dapat diperoleh sebagai kerja, sedangkan sisanya harus dilepaskan menuju Q C. Dengan kata lain, efisiensi termal tidak boleh mencapai 100%. Efek dari Hukum Kedua (Carnot Corollaries) Bunyi dari Carnot corollaries adalah sebagai berikut. 1. Efisiensi termal dari sebuah siklus tenaga irreversibel akan selalu lebih kecil dibandingkan efisiensi termal dari sebuah siklus tenaga reversibel ketika masing-masing beroperasi di antara reservoir termal yang sama. 2. Semua siklus tenaga reversibel yang beroperasi di antara dua reservoir termal yang sama memiliki efisiensi termal yang sama. Dari pernyataan efek Carnot kedua dapat disimpulkan bahwa siklus harus memilki efisiensi yang sama apa pun pilhan zat kerja atau urutan proses pada siklus tersebut berlangsung secara reversibel dan beroperasi pada reservoir termal yang sama. Dengan demikian, efisiensi hanya bergantung pada temperatur kedua reservoir tersebut.
Dengan memasukkan skala suhu termodinamika ke dalam persamaan efisiensi termal sistem dengan dua reservoir kita akan mendapatkan persamaan untuk siklus tenaga reversibel sebuah sistem yang beroperasi diantara dua reser voir bersuhu TC dan TH:
=
Yang juga diketahui sebagai efisiensi Carnot.T C adalah temperatur pada reservoir dingin dan TH adalah temperatur pada reservoir panas.TC dan T H dalam skala temperatur absolut yaitu Kelvin atau Rankine.Sehingga apabila siklus dianggap berjalan secara reversibel maka efisiensi sistem secara keseluruhan hanya dipengaruhi oleh suhu dari tiap reservoir saja tanpa adanya pengaruh zat maupun konfigurasi sistem.
Pengaruh Sifat Irreversibilitas Terhadap Siklus Tenaga Suatu proses dikatakan irreversibel ketika sistem dan sekitarnya tidak dapat kembali ke keadaan semula setelah proses berlangsung. Pada keadaan aktual dapat dikatakan semua proses adalah irreversibel. Sifat irreversibilitas dapat muncul akibat pengaruh yang dapat menghambat sistem bekerja secara maksimal.Salah satu pengaruh tersebut diantaranya gesekan, hambatan listrik, pencampuran dua zat, dan lain-lain. Bunyi efek Carnot yang pertama menyebutkan bahwa efisiensi termal dari sebuah siklus tenaga irreversibel akan selalu lebih kecil dibandingkan efisiensi termal dari sebuah siklus tenaga reversibel ketika masing-masing beroperasi di antara reservoir termal yang sama. Dari situ dapat disimpulkan bahwa adanya ireversibilitas selama berlangsungnya sebuah siklus merupakan sebuah kerugian.Hal ini dapat dilihat dari kerja bersih yang dihasilkan oleh siklus irreversibel akan lebih kecil yang berarti siklus tersebut memiliki efisiensi termal yang lebih kecil.
f. Diketahui unit pembangkit tersebut menggunakan air sebagai fluida kerja dalam siklus Rankine ideal. Uap hasil pemanasan lanjut pada 8 MPa dan 480 ᴼ C masuk ke dalam turbin. Tekanan kondenser adalah 8 kPa dan keluaran daya netto dari siklus adalah 100 MW. Bagaimana anda membuat evaluasi secara kuantitatif terhadap kinerja sistem ini? Bagaimana tanggapan anda terhadap efisiensi yang diperoleh? Diketahui : Pturbin = 8 MPa Tturbin = 480ᴼC Pkompresor = 8 kPa W = 100 MW Evaluasi kuantitatif yang dilakukan terhadap sistem adalah dengan cara menghitung efisiensi dalam sistem tersebut. Ditanya : Efisiensi (η)? Jawab : Efisiensi dapat dihitung dengan rumus :
= = = =
Nilai QH yang dibutuhkan untuk menghitung efisiensi dapat dihitung dengan :
Nilai QC dapat dihitung dengan persamaan :
=
Untuk menyelesaikan persamaan QC tersebut, maka dibutuhkan nilai entalpi dari fluida yang bekerja saat di kondenser dan turbin.
Kondenser Keadaan fluida saat masuk kondenser adalah saturated vapor, sehingga entalpi pada kondenser adalah entalpi saturated vapor pada tekanan 8 kPa, yaitu 2576,2 kJ/kg.
Turbin Keadaan fluida saat masuk turbin adalah superheated vapor, sehingga nilai entalpi dapat diperoleh dari tabel superheated steam pada tekanan 8 MPa dan suhu 480 ᴼC, yaitu 3348,93 kJ/kg. Dengan asumsi bahwa massa fluida yang digunakan adalah sebanyak 1 kg,maka nilai Q C, bisa diperoleh :
= = 12576,23348,92/ = 772,25
Tanda negatif menunjukkan bahwa kalor dikeluarkan dari sistem selama proses dari turbin ke kondenser. Selanjutnya, nilai QH bisa diperoleh dengan mensubstitusikan nilai QC ke dalam persamaan QH :
= = 100000 772,72 = 100772,72
Kemudian, efisiensi dapat diperoleh dengan mensubsititusikan nilai QH yang diperoleh ke persamaan efiensi (η) :
100000 = 0,9923 = = 100772, 72
Berdasarkan hasil perhitungan efisiensi tersebut, dapat disimpulkan bahwa efisiensi siklus sangat baik dan mendekati 1.Hal tersebut menunjukkan bahwa hampir seluruh kalor yang diberikan, dikonversi menjadi kerja oleh sistem.Tetapi, dalam aplikasi nyata, hal ini tidak mungkin terjadi karena kompresi yang dilakukan oleh pompa dan ekspansi yang dilakukan oleh turbin tidak berlangsung secara isentropik, sehingga menambah daya yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi daya yang dihasilkan oleh turbin. Assignment 2 Electrical power is needed to supply electricity for constant lighting and heat for maintaining constant temperature environment in the greenhouses for growing a vegetable. Gas engines employed to produce the required electrical power are also producing waste heat that could be utilized further to generate additional electrical power. The thermal energy generated by the gas engines is more than adequate to heat the greenhouses and utilization of the excess (waste) heat is desirable. The waste heat is availa ble at around 100˚C and at this relatively low temperature a Rankine cycle with an organic compound as the working fluid known as Organic Rankine Cycle (ORC) shown above will be the most suitable option for heat recovery. The following picture shows a typical waste heat recovery system.
The working fluid used in the ORC is ammonia. Superheated ammonia vapor enters the turbine at 95˚C. Ammonia exits the condenser as saturated liquid at 25˚C and leaves the pump at 5 MPa. Based on the following assumptions :
thermal energy in the amount of 1575 kW can be transferred from the gas engine to the working fluid
water pressure at stream 5 and 6 is 1 bar
the expander and the pump have adiabatic efficiency of 75%
temperature of stream 5 and 6 are 15 and 20˚C, respectively
there is no pressure drop in the boiler and in the condensor
Determine the following : a. the electrical output of the expander b. as in part (a) but use 6 MPa or the pressure of stream 4 c. the efficiency of the ORC cycle based on your answer in part a) and b). Why are they different? d. the water mass flow rate circulating between the ORC and the aquifer based on answe for part a) e. Fill in the following the table f. for P4 = 5 MPa and 6 Mpa Stream # 1 2 3 4 5 6 Vapor fraction T( )
℃
P (bar) Mass flow rate (ton/h) Don’t forget to include your calculation sheets in your report Diketahui:
Sistem ORC (Organic Rankine Cycle)
Fluida kerjanya adalah senyawa ammonia (NH 3)
Vapor superheated ammonia masuk pada expander pada suhu 95 oC
Ammonia keluar kondensor sebagai saturated liquid pada 25 oC & meninggalkan pompa dengan P = 5MPa
= 75%
Asumsi:
Steady state
T = 95 Enegi kinetik dan potensial diabaikan
T = 25 Tidak ada pressure drop pada boiler dan condensor
Pompa dan expander memilki efisiensi adiabatis sebesar 75 %
Qin pada boiler = 1575 kW
Tekanan air pada aliran 5 dan 6 sebesar 1 bar (ṁ5 = ṁ6= ṁH2O) = 75% P = 5 MPa ṁ1=ṁ2 = ṁ3 = ṁ4= ṁ NH3
ṁ5 = ṁ6= ṁH2O
Ditanya : a) Welectrical di expander ? b) Sama seperti bagian a) tetapi menggunakan 6 MPa untuk tekanan pada aliran 4 ? c) Efisiensi ORC dari bagian a) dan b), mengapa keduanya berbeda ? d) Mass flow rate pada ORC dan aquifer pada bagian a) ? Jawab : 1) Boiler Keadaan : 1) Tidak ada dari system maupun ke keluar system W = 0 2) Kecepatan masuk dan keluar sama v 1=v4 3) Tidak ada perbedaan ketinggian z 1=z4
̇
Qin =
[ h1 – h4 ]
2) Expander Keadaan : 1) Tidak ada kalor dari system maupun ke keluar system Q = 0 2) Kecepatan masuk dan keluar sama v 1=v2 3) Tidak ada perbedaan ketinggian z 1=z2
̇ = ̇
[h1 – h2]
3) Kondenser Keadaan: 1) Qin – Qout = 0 2) Tidak ada kerja W = 0 3) Kecepatan masuk dan keluar sama v2=v3=v5=v6 4) Tidak ada perbedaan ketinggian z 2=z3=z5=z6
Keadaan dari 2-3: 1) Tidak ada kerja W = 0
15
2) Kecepatan masuk dan keluar sama v 2=v3 3) Tidak ada perbedaan ketinggian z 2=z3 Qin = [ h2 – h3 ]
̇
4) Pompa Keadaan 1) Tidak ada kalor dari system maupun ke keluar system Q = 0 2) Kecepatan masuk dan keluar sama v 3=v4 3) Tidak ada perbedaan ketinggian z 3=z4
̇ = ̇
[ h3 – h4 ]
a. Menghitung nilai W expander
Aliran 1 Keadaan: P1 = P4 (tidak ada pressure drop pada boiler). T = 95 dan P = 5 MPa (vapor superheated ) Sehingga dapat dicari nilai entropi dan entalpinya dari steam table untuk amonia h1 = 1470.4 kJ/(kg.K) dan s 1 = 4.4254 kJ/(kg.K)
℃
Aliran 2 Keadaan: Temperature masuk kondenser = keluar kondensor = 25 oC. Aliran bersifat isentropik (s1 = s2 = 4.4254 kJ/kg.K). Aliran 2 (aliran keluar dari expander)= mixturesedangakan pada Aliran 3 (aliran keluar dari kondensor)= saturated liquid. Sehingga dapat dicari nilai entropi dari table saturated amonia pada 25 oC s f = 1.248 kJ/kg.K dan s g = 5.0194 kJ/kg.K yang digunakan untuk mendapatkan fraksi: s2 = sf + x (sg – sf )
4.4254 . = 1.248 /. 5.0194 /. 1.248 /. 3.1774 /. = 3.7714 /. = 0.842 ℎ = 296.45 ℎ = 1165.16 / ℎ = ℎ ℎ ℎ ℎ = 296.45 / 0.842 1165.16 296.45 / ℎ = 1027.9 / Dapat dicari nilai entalpi dari table saturated amonia pada 25oC yaitu
yang digunakan untuk mendapatkan
fraksi:
16
Sehingga dapat dihitung nilai W isentropis untuk mendapat nilai h 2 dengan perhitungan:
= ℎ ℎ = 1470.4 1027.9 = 442,5 / ℎ 0.75 = ℎ ℎ 1470. 4 0.75 = 442,5 ℎ = 1470.4 331.875 = 1138.525 ℎ = 1138.525 Dengen effisiensi turbin 75% maka nilai h2 :
Aliran 3 Keadaan: T = 25 , dan P = 1 MPa = 10 bar (kondisi saturated liquid ) Sehingga dapat dicari nilai-nilai dari table saturated
℃ 296.45 ⁄ = 1.1248 ⁄ = 0.00165 ⁄ ,
ammonia
ℎ =
, dan
Aliran 4 Keadaan: P = 5MPa = 50 bar (kondisi subcooled ) Pompa isentropik entropi aliran 3 sama dengan aliran 4 ( s3 = s4) dengan efisiensi isentropik = 75% Sehingga dapat dicari nilai Wisentropis untuk mendapat nilai h 4s dengan rumus:
= ℎ ℎ = ℎ ℎ = = 0.00165 50 × 10 10 × 10 = 6600 . = 6.6 / ℎ ℎ = 6.6 / ℎ = 298.25 6.6 ℎ = 291,65 17
Kemudian, dapat dicari nilai h4 yang diperlukan untuk mencari laju alir massa amonia:
0.75 = 291.6.665/ ℎ 218,73 0.75ℎ = 6.6 / 0.75ℎ = 218,73 6.6 ℎ = 282,84 / = ̇ℎ ℎ ̇ = ℎ ℎ 1575 ̇ = 1470,4 / 282, 8 4/ ̇ = 1.326 / WE = ṁ ℎ ℎ E = 1.326 / 1470,4 1138.525 E = 440,066 ⁄
Dengan meninjau boiler , laju alir massa amonia dapat ditentukan :
Dengan meninjau expander, W E dapat dinyatakan sebagai berikut.
b. Menghitung nilai W expander saat aliran 4 diubah P = 6 MPa
Aliran 1 Keadaan: T = 95oC dan P = 6 MPa (kondisi subcooled liquid ) Dengan
nilai
entalpi
2.49325 kJ/kg.K
dan
entropi
sebesar
h = 688.85 dan s =
Expander hanya bisa berkerja ketika fluida yang masuk memiliki fas a superheated atau saturated vapor sehingga dengan keadaan ini expander tidak menghasilkan kerja. c. Efisiensi ORC
W pompa untuk P = 5 MPa
Efisiensi untuk P = 5 MPa
= ṁℎ ℎ = 1.326 ⁄ 296.45 / 282,84 / = 108.384 / 18
100% = ⁄ ⁄ 416. 8 25 108. 3 84 = 100% = 20 % 1575 ṁ = 1.256 /
d. Mass flow rate pada ORC dan aquifer
Mass flow rate pada ORC pada aliran 4 =
Mass flow rate pada aquifer ditinjau dari persamaan energi pada kondensor Dari steam table, kondisi subcooled bisa dicari dengan pendekatan menggunakan table saturated steam maka didapatkan nilai h 5= 62.99 kJ/kg (1 bar & 15oC) dan h 6 = 83.96 kJ/kg (1 bar & 20 oC)
ṁℎ ℎ = ṁℎ ℎ 1.256 /1138.525 / 296.45 / = ṁ 83.96/ 62.99 / ṁ = 50.55 ⁄
e. Fill in the following table:
For P4 = 5 MPa
Stream # Vapor fraction T( )
1 1 95
2 0.84 25
3 0 25
4 0 25
5 0 15
6 0 20
P (bar) Mass flow rate (ton/h)
50 4.8
10 4.8
10 4.8
50 4.8
1 252
1 252
℃
Assignment 3: Topik Pemicu Refrijerasi
Sekarang ini semua gedung perkantoran di Indonesia menggunakan pendingin ruangan atau AC (Air Conditioner). Banyak juga rumah-rumah yang menggunakan pendingin ruangan ini. Apalagi di tengah musim kemarau seperti sekarang ini AC sangat berrguna untuk menyejukkan badan. Tetapi ada saja dampak buruknya. Selain menyebabkan kulit kering ternyata AC memiliki dampak yang lebih buruk dari itu. Dari luar ruangan yang panas kemudian masuk ke ruangan AC sama dengan memasukkan api ke dalam freezer. Bagi manusia hal ini dapat menyebabkan gangguan kesehatan seperti sesak napas, insomnia,
19
dehidrasi, dan kanker paru-paru. Tetapi bukan berarti dengan demikian penggunaan AC tidak boleh sama sekali. Ada solusinya? Sudah pasti ada. Sangat disarankan bagi kita yang diharuskan berada di ruangan AC paling tidak setiap jamnya keluar dari ruangan tersebut untuk menghirup udara segar barang satu atau dua menit saja. Usahakan suhu AC melebihi 27 derajat Celcius supaya ruangan tidak terlalu lembab dan menyebabkan endapan bakteri didalamnya. Tujuan lainnya supaya listrik tidak terlalu boros. Selain itu usahakan supaya tidak menggunakan pakaian yang menyebabkan suhu tubuh menjadi panas seperti halnya blazer, jas setelan, kemeja lengan panjang atau jaket. Supaya pernapasan pori-pori lebih lancar. Tugas 2 : a. AC merupakan salah satu aplikasi siklus Refrijerasi Kompresi Uap. Bagaimana Anda menjelaskan mekanisme kerja siklus tersebut ? Jawab: Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap merupakan jenis mesin refrijerasi yang paling banyak digunakan saat ini. Mesin refrijerasi siklus kompresi uap terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Susunan empat komponen tersebut secara skematik ditunjukkan pada gambar dibawah :
Gambar 8. Diagram Proses Siklus Kompresi Uap
Cara kerja siklus kompresi uap : 1) Proses 1-2 : refrijeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh (saturated vapor) dengan temperature dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap super panas dengan temperature yang tinggi, lebih tinggi dari temperature lingkungan sehingga pembuangan panas bisa berlangsung 2) Proses 2-3 : Setelah mengalami proses kompresi, refrijeran berada dalam fasa panas lanjut dengan tekanan dan temperature tinggi. Untuk merubah wujudnya menjadi cair (kondensasi) Kalor harus dilepaskan ke lingkungan
20
melalui alat yang disebut dengan kondensor. Refrijeran mengalir melalui kondensor pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperature lebih rendah dari pada temperature refrijeran. Oleh karena itu, kalor akan berpindah dari refrijeran ke fluida pendingin dan refrijeran akan mengalami penuruan temperature dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengalami proses pengembunan menjadi refrijeran cair. Refrijeran keluar kondensor sudah berupa refrijeran cair. Proses kondenssasi berlangsung pada temperature dan tekanan yang konstan. 3) Proses 3-4 : refrijeran dalam keadaan wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3) kemudian mengalir melaluui alat ekspansi. Refrijeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak reversible sehigga tekanan refrijeran menjadi rendah (tekanan evaporator). Refrijeran keluar alat ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperature rendah. 4) Proses 4-1 : Refrijeran dalam fase campuran uap-cair, mengalir melalui evaporator. Di dalam evaporator refrijeran mengalami proses penguapan sebagai akibat dari panas yang diserap oleh sekeliling evaporator. Dengan adanya penyerapan panas ini, maka disekeliling evaporator (ruangan yang dikondisikan) menjadi dingin atau temperaturnya turun. Selanjutnya refrijeran yang meninggalkan evaporator dalam fase uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung pada tempatur dan tekanan yang konstan. b. Dapatkan anda mendeskripsikan komponen-komponen yang terdapat dalam siklus refrigerasi kompresi uap? Jawab:
Gambar 8. Skema Sistem Refrijerasi Kompresi Uap. Sumber: Moran. 2008. Fundamental of Thermodynamics.
21
Komponen-komponen utama pada sistem refrijerasi kompresi uap diantaranya: 1. Kompresor Dalam mesin refrigerasi, kompresor digunakan untuk menakan refrigeran ke semua bagian pada sistem. Alat ini bekerja dengan membuat perbedaan tekanan, sehingga refrigeran dapat mengalir dari satu bagian ke bagian lainnya dari sistem. Dengan adanya perbedaan tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah maka refrigeran cair dapat mengalir melalui alat pengatur refrigeran (alat ekspansi) ke evaporator. Fungsi dari kompresor pada sistem refrigerasi: a. Menurunkan tekanan di dalam evaporator sehinggarefrigeran cair di evaporator dapat menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap panas lebih banyak dari ruangan di dekat evaporator. b. Menghisap refrigeran gas dari evaporator pada suhu dan tekanan rendah lalu memamfatkan gas tersebut sehingga menjadi gas bertekanan dan bersuhu tinggi. Kemudian mengalirkannya ke kondensor hingga gas tersebut berubah fase menjadi cair (pengembunan) dengan melepaskan panas refrigeran ke lingkungan atau kepada zat yang mendinginkan kondensor. 1) Jenis-jenis kompresor berdasakan letak motornya yaitu: a) Kompresor Open-Type b) Kompresor Hermetic-Type c) Kompresor Semi Hermetic-Type 2) Berdasarkan cara kerjanya kompresor dibagi menjadi lima, yaitu: a) Kompresor torak (Reciprocating Compressor) b) Kompresor putar (Rotary Compressor) c) Kompresor sentrifugal (Centrifugal Compressor) d) Kompresor sekrup (Screw Compressor) e) Kompresor scroll (Scroll Compressor) 3) Berdasarkan bentuk: a) Jenis vertical b) Jenis horizontal c) Jenis silinder banyak 2. Kondenser Digunakan untuk mengubah fasa refrigeran dari gas bertekanan tinggi menjadi cairan bertekanan tinggi atau dengan kata lain pada kondenser ini terjadi proses kondensasi. Setelah berubah menjadi cair, akan dialirkan ke evaporator melalui katup ekspansi. Agar dapat mengalami perubahan fasa, maka kalor/ panas yang ada dalam gas refrigeran bertekanan tinggi harus dibuang keluar dari sistem. Dua sumber kalor pada konensor yaitu:
a. Kalor yang diserap refrigeran ketika mengalami proses evaporasi.
22
b. Kalor yang ditimbulkan di kompresor selama terjadinya proses kompresi. Gas refrigeran bertekanan rendah dikompresi sehingga menjadi gas refrigeran yang bertekanan tinggi, dimana temperatur kondensasinya lebih tinggi daripada temperatur media pendingin kondenser.Media pendingin yang umum digunakan biasanya air, udara, atau kombinasi keduanya. Proses perpindahan kalor di dalam kondenser ada tiga tahap yaitu: a. Penurunan nilai superheat (desuperheating) sampai mencapai temperatur kondensasi. Pada proses ini terjadi perpindahan kalor sensible. b. Perubahan fasa refrigeran dari fasa gas menjadi cair. Pada proses ini terjadi perpindahan kalor latent. c. Pelepasan kalor dari refrigeran cair (sub-cooling) ke media pendingin. Pada proses ini terjadi perpindahan kalor sensible. Jenis-jenis kondenser berdasarkan media pendingin terbagi menjadi 3 bagian yaitu: a. Kondenser berpendingin udara (air cooled condenser ) b. Kondenser berpendingin air (water cooled condenser ) c. Kondenser berpendingin kombinasi udara dan air ( evaporative condenser ) 3. E xpansion valve (katup ekspansi) Refrigeran yang sudah terkondensasi pada kondenser, akan masuk ke katup ekspansi, dimana akan diatur jumlah refrigeran yang masuk ke dalam evaporator, agar sesuai dengan lajur aliran atau penguapan cairan refrigeran pada evaporator. Selain itu, katup ekspansi digunakan juga untuk menurunkan tekanan, agar beda tekanan di sisi tekanan rendah dan tekanan tinggi pada sistem dapat ter jaga. Jenis-jenis expansion valve: a. Pipa kapiler (capillary tube) b. Katup ekspansi otomatis (automatic expansion valve) c. Katup ekspansi termostatik (thermostatic expansion valve) d. Katup ekspansi manual (hand expansion valve) e. Katup apung sisi tekanan rendah (low side float valve) f. Katup apung sisi tekanan tinggi (high side float valve)
g. Katup ekspansi termoelektrik (thermal elektric expansion valve) 4. Evaporator Evaporator sering juga disebut cooling coil , boiler , dan lain-lain tergantung dari bentuknya. Alat ini dipakai sebagai media penguapan cairan refirgeran dari katup ekspansi. Tujuan dari penguapan yaitu untuk menyerap panas dari kabin atau ruang yang akan didinginkan melalui perpindahan panas dari dinding-dindingnya. 1) Jenis-jenis evaporator berdasarkan segi kontruksinya yaitu: a) Evaporator pipa telanjang (bare tube)
23
b) Evaporator permukaan pelat (plate surface) c) Evaporator bersirip (finned) d) Evaporator tabung pipa (shell and tube) 2) Jenis-jenis evaporator berdasarkan cara kerjanya yaitu: a) Evaporator kering (dry or direct evaporator), terdiri dari pipa-pipa saja. b) Evaporator basah (flooded evaporator), terdiri dari tabung dan pipa. 3) Jenis-jenis evaporator berdasarkan pemakaian, yaitu: a) Ekspansi langsung (direct expansion) b) Ekspansi tidak langsung (indirect expansion) c. Anda diminta merancang sistem refrigeransi dengan siklus kompresi uap dengan refrigeran air. Ditargetkan suhu penguapannya 10 ᴼ C dan suhu kondensasinya 50ᴼ C. Ekspansi dengan menggunakan expansion valve. Kompresor mempunyai efisiensi 76% dibanding proses isentropik. Kapasitas refrigeransi 1200 kW. (a) Dengan mengabaikan pressure drop di evaporator dan kondensor, tentukanlah tekanan-tekanan pada sistem. (b) Perkirakanlah power kompresor. (c) Tentukanlah jumlah air yang disirkulasikan sebagai refrigeran. (d) Berapakah COP sistem refrigeransi ini. (e) Pada mesin refrigerasi siklus kompresi uap, fungsi kondensor dan evaporatorbisa dibalik dengan mengubah arah aliran refrigerant. Dengan demikian, mesin ini bisa berfungsi sebagai pendingin di musim panas dan pemanas di musim dingin. Menurut anda, bagaimana hal ini dapat terjadi? Jawab :
Gambar 9. Siklus Refrigerasi Sumber : Ertanto Vetra. Refrigeration System.
24
Gambar 10. Lintasan Siklus Refrigerasi (a) Pada Diagram TS (b) Pada Diagram PH Sumber : Ertanto Vetra. Refrigeration System. Proses yang terjadi pada siklus refrigerasi : - Pada proses 1-2, terjadi proses kompresi isentropik dimana s = konstan, saturated vapor, superheated vapor (kompresor) - Pada proses 2-3, terjadi proses pelepasan kalor dimana p = konstan, superheated vapor, saturated liquid (kondensor) - Pada proses 3-4 terjadi proses ekspansi isentropik dimana h = konstan, saturated liquid, mixture liquid-vapor (expansion valve) - Pada proses 4-1 Proses penyerapan kalor dimana p = konstan, mixture-liquid vapor, saturated vapor (evaporator) Sehingga didapatkan : S1 = S2 P2 = P3 h3 = h4 P4 = P1
Diketahui: TL = 10 TH = 50 QL = 1200 kW = 76
℃ ℃ %
Jawab: a) Tekanan pada sistem T1 = 10 Pada titik 1 seperti dilihat di gambar air berwujud saturated vapor . Maka dilihat dari Saturated Steam Table dengan suhu 5 didapat nilai tekanan: P1 = 0,17796 psia.
℃ = 50℉
0℉
T3 = 50
℃ = 122℉
25
Pada titik 3 seperti dilihat di gambar air berwujud saturated liquid. Maka dilihat dari Saturated Steam Table dengan suhu 122 didapat nilai tekanan: P3 = 1,7891 psia
℉
P2 = P3 Maka, nilai tekanan pada titik 2 P2 = 1,7891 psia P4 = P1 Maka, nilai tekanan pada titik 4 P4 = 0,17796 psia
b) Perkirakanlah power kompresor (W in) Pada kompresor analisis sistemnya adalah :
= ̇ ℎ ℎ
Mencari nilai h1: T1 = 10 Pada titik 1 seperti dilihat di gambar air berwujud saturated vapor . Maka dilihat dari Saturated Steam Table dengan suhu 5 didapat nilai entalpi: h1 = 1083,4 Btu/lb m
℃ = 50℉
0℉
Mencari nilai h2: Proses 1-2 merupakan proses isentropik dengan S 1 = S2 T1 = 10 , nilai entropi didapat dari Saturated Steam Table yaitu : S1 = S2 = 2,1262 Nilai P2 = P3 Maka, nilai tekanan pada titik 2 : P 2 = 1,7891 psia Dengan menggunakan Grafik A-8E (Diagram Entalpi-Entropi untuk air dalam satuan Inggris) pada buku Moran, didapat nilai entalpi : h 2 = 1240,3 Btu/lb.
℃ = 50℉
Mencari nilai
̇
:
= 1200 = ̇ ℎ ℎ
pada sistem evaporator analisis sistemnya menjadi; h1 = 1083.4 Btu/lb m Dengan T3 = 122 , nilai entalpi pada titik 3 dengan wujud saturated liquid:
℉
h3 = h4 = 89,96 Btu/lb m Maka:
= ̇ ℎ ℎ 1200 = ̇ 1083,4 ⁄ 89,96 ⁄ 26
4094570,4 ⁄ℎ = ̇ 1083,4 ⁄ 89,96 ⁄ 4094570, 4 ̇ = 993,44 ⁄ ⁄ℎ ̇ = 4121,60815 ⁄ℎ = ̇ ℎ ℎ = 4121,60815 ⁄ℎ 1240,3 ⁄ 1083,4 ⁄ = 4121,60815 ⁄ℎ × 156,9 ⁄ = 646680,32 ⁄ℎ = 189,523
Nilai-nilai yang sudah didapatkan dimasukan ke persamaan
Maka Power Kompresor yang dibutuhkan bila efisiensi 76% adalah :
= = 189,0,52376 = 249,372
c)
Jumlah air yang disirkulasikan sebagai refrigeran. Dari perhitungan sebelumnya sudah didapatkan nilai laju alir massa
̇ = 4121,60815 ⁄ℎ ̇ = 1869,5615 ⁄ℎ 1 ℎ⁄ ̇ = 1869,5615 ⁄ℎ × 3600 ̇ = 0,5193 ⁄ = 0,5193 = = 249,1200372 = 4,81
∶
bila digunakan basis 1 sekon maka massa yang disirkulasikan d) COP sistem refrigerasi
e)
Pada mesin pendingin kalor pada ruangan yang ingin didinginkan, kalor diserap oleh refrigeran lalu dibuang ke lingkungan, sedangkan pada mesin pemanas, kalor pada lingkungan dingin diserap oleh refrigeran lalu dibuang pada ruang yang ingin dihangatkan. Sehingga, perbedaan dari kedua sistem tersebut terletak pada pemanfaatan kalornya. Untuk refrigerator, kalor harus dibuang kelingkungan, tetapi untuk pompa kalor ( heat pump), kalor
27
harus diambil dari lingkungan untuk pemanasan. Sistem refrigerasi pada pendingin dan pemanas dapat dilihat pada kedua gambar dibawah.
Gambar 11. (a) Sistem Refrigerasi untuk Pendingin (b) Sistem Refrigerasi untuk Pemanas Sumber : Ertanto Vetra. Refrigeration System.
d. Jika refrijeran R-134a diganti dengan satu dari tiga hidrokarbon berikut : etana, propana, dan butana; manakah yang anda pilih sebagai fluida kerja pengganti R134a? Berikanlah alasan anda dilihat dari segi termodinamika lengkap dengan berbagai perhitungan yang menunjang. Jawab : Salah satu pemilihian jenis refrijeran pengganti R-134a yaitu dengan mempertimbangkan sifat termodinamikanya. Dalam hal ini, ada tiga aspek di dalam sifat termodinamika yaitu tekanan jenuh, titik didih dan titik beku refrijeran yang akan dijadikan acuan dalam memilih pengganti R-134a.
1.
Tekanan dan Temperatur Jenuh
Tekanan jenuh akan menentukan kondisi operasi di evaporator dan kondensor. Kondisi yang diinginkan adalah pada refrijeran pendingin masih mempunyai tekanan di atas tekanan atmosfer sehingga tidak ada tekanan vakum yang dapat menyebabkan masuknya udara dan uap air ke dalam sistem. Pada keadaan mesin pendingin yang berada sedikit di atas tekanan kamar, diharapkan refrijeran mempunyai tekanan yang tidak terlalu tinggi sehingga tidak diperlukan kompresor dengan perbandingan kompresi yang tinggi dan berdaya rendah. Refrigeran juga diharapkan mempunyai tekanan
28
kondensor dan evaporator yang tidak terlalu tinggi, hal ini bertujuan agar tidak diperlukan struktur komponen yang kuat dan berat. Refrijeran 134a dianggap sebagai refrijeran yang ideal digunakan pada heat exchanger . Maka dari itu, diperlukan pemilihan refrijeran pengganti yang mempunyai kondisi operasi pada temperatur tertentu yang kurang lebih serupa atau mendekati kondisi operasi refrijeran 134a pada heat exchanger . Kondisi operasi paling penting yang dipertimbangkan adalah tekanan jenuh refrijeran
pada
sebelumnya,
temperatur
tekanan
jenuh
tertentu.
Seperti
refrijeran
yang
yang
sudah
yang
disebutkan
terlalu
rendah
memungkinkan masuknya udara ke dalam sistem, namun tekanan yang terlalu tinggi memungkinkan terjadinya kebocoran akibat kerja kompresor yang terlalu berat. Maka dari itu diperlukan penentuan tekanan jenuh uap yang mendekati R-134a. Tekanan Jenuh R-134a pada temperatur kamar (T = 298 K) = 6,6548 bar
log = = 10−+
Mencari Tekanan Jenuh Etana pada T = 298
Mencari Tekanan Jenuh Propana pada T = 298
Mencari Tekanan Jenuh Butana pada T = 298
= 10,−, ,+ = 29707,59801 = 39,6 , − , + = 10 = 7045,831806 = 9,39 = 10,−, ,+ = 1821,131973 = 2,43
Berdasarkan data diatas, maka dapat diketahui refrijeran yang memiliki perbedaan tekanan jenuh dalam temperatur kamar adalah propane.
29
2. Normal Boiling Point (NBP) Normal Boiling Point dapat menunjukkan kondisi refrijeran pada tekanan atmosfer dan mengetahui apakah refrijeran dapat beroperasi pada tekanan rendah atau tinggi.
R-134a,
NBP: -14.9 oF
Etana,
NBP: -127.5 oF
Propana
NBP: - 43.7oF
Butana
NBP: 31 oF
Berdasarkan data NBP yang telah diperoleh, maka nilai NBP propana yang paling mendekati nilai NBP R-134a. 3. Titik Beku
Titik beku merupakan batas atas temperaut operasi dari propana. Refrigeran harus beroperasi di atas titik bekunya.
R-134a,
T = -142 oF
Etana,
T = -297.9 oF
Propana,
T = -305.8 oF
Butana, T = -217 oF Etana, propana, dan butana memiliki titik beku di atas R-134a, maka berdasarkan titik bekunya ketiga gas ini cocok untuk menggantikan R-134a.
4. Temperatur dan Tekanan Kritik Titik kritik merupakan batas atas dari pemakaian refrigeran pada mesin refrigerasi kompresi uap.
R-134a
Pc = 588.9 psia, T c = 213.9 oF
Etana
Pc = 707.9 psia, T c = 90.9 oF
Propana
Pc = 617.6 psia, T c = 206.6 oF
Butana Pc = 549.9 psia, T c = 305.9 oF Jikalau kita ingin mencari pengganti dari R-134a, maka haruslah dipilih dari ketiga gas tersebut yang memiliki Tc dan Pc yang lebih rendah dibandingkan dengan R-134a.Dari pemahaman tersebut, maka Propana yang memiliki pendekatan Tc dan Pc yang paling baik.
Dari ketiga aspek yang tela, maka dapat disimpulkan bahwa Propana yang
memiliki kedekatan sifat paling baik dengan R -134a, sehingga merupakan pengganti yang paling cocok dibandingkan dengan etana dan butana.
30
e. Refrijeran 12 adalah fluida kerja pada siklus refrijerasi kompresi uap ideal yang berhubungan secara termal dengan daerah dingin pada 20ºC dan cairan jenuh meninggalkan kondensor pada 40ºC. laju alir massa refrijeran adalah 0,008 kg/s. Tentukan : a) Daya kompresor, dalam horse power b) Kapasistas refrijerasi, dalamton c) Koefisien kinerja dari siklus refrijerasi Carnot yang beroperasi antara daerah dingin dan hangat pada 40ºC dan20ºC. Diketahui :
Gambar 12. Skema Proses Siklus Refrijerasi Ideal dan Diagram T-s Ditanya :
a.
̇ ̇
=…?
b. =…? c. = …? Jawab : Asumsi : 1. Setiap sistem yang dianalis berada pada control volum (ditunjukkan ooleh batasan sistem) 2. Sistem steady state/ tunak 3. Semua komponen sistem kecuali katup ekspansi bersifat reversible. 4. Katup ekspansi berkerja secara throttling process. 5. Energi potensial dan kinetic diabaikan 6. Sistem kompresor bersifat isentropic (sesuai gambar grafik T-s ) 7. Kompresor dan katup ekspansi (throttling) beroperasi secara adiabatis 8. Uap jenuh refrijeran masuk ke dalam kompresor, dan cairan jenuh meninggalkan kondensor Analisis setiap kondisi : Dengan menggunakan tabel di bawah : Tabel 1. Saturated Refrigerant R-12
31
Sumber: https://energy.sdsu.edu/testhome/tablesModule/tablesPC/TSatR12.html
Tabel 2. Superheated Refrigerant R-12 Sumber : https://energy.sdsu.edu/testhome/tablesModule/tablesPC/TSatR12.html
Kondisi 1 Refrijeran dalam keadaan uap jenuh dengan T 1= 20ºC h1 = 195,78 Kj/Kg s 1 = 0,6884 Kj/Kg.K Kondisi 2 Refrijeran dalam keadaan superheated. Asumsi berdasarkan grafik T-s didapat P2= P3 ≈ 1 Mpa (T 40ºC). Dan s2 = s1 = 0,6884 Kj/Kg.K Dengan melihat tabel superheated pada kondisi s1dan P2 Interpolasi :
0,68840,6820 = ℎ2199,72 0,70260,ℎ26=820204,4214, 1 8199, 7 2 Kj/Kg
Kondisi 3 Refrijeran dalam keadaan cairan jenuh dengan T3 = 40ºC h3 = 74,59 Kj/Kg s3= 0,2718 Kj/Kg.K
Kondisi 4 Refrijeran dalam keadaan campuran uap dan cairan dengan T4 = T1 = 20ºC. Berdasarkan asumsi (4), maka h3 = h4 = 74,59 Kj/Kg a) Menghitung Daya yang Dibutuhkan Oleh Kompresor
32
Gambar 13. Skema proses pada kompresor Neraca aliran massa steady state:
̇ = ̇ = ̇
Neraca energi steady state:
̇ = ̇ ℎ2ℎ1 ̇ = 0,008 /204,4195,78/ ̇ = 0,06896 = 0,06896
b) Menghitung kapasitas refrijerasi
Gambar 14. Skema proses pada evaporator Neraca aliran massa steady state:
Neraca energi steady state:
̇ = ̇ = ̇
̇ = ̇ℎ1ℎ4 = (0,008 ) |60 /|195,7874,59/211 1 / c) Koefisien kerja siklus Carnot TC = 20°C = 293 K TH = 40°C = 313 K
= 14,65 = = 313 293 293 33