makalah kelompok pemicu 3: termodinamika teknik kimia

Upload: rizqi-pandu-sudarmawan

Post on 10-Feb-2018

286 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    1/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika i

    MAKALAH TERMODINAMIKA

    TEKNIK KIMIA

    PEMICU 3 : HUKUM 2 DAN SIKLUS TERMODINAMIKA

    KELOMPOK 03

    Nahida Rani (1106013555)

    Nuri Liswanti Pertiwi (1106015421)

    Rizqi Pandu Sudarmawan (0906557045)

    Sulaeman A. S. (0906557051)

    Sony Ikhwanuddin (1106052902)

    DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

    FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

    DEPOK, 2013

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    2/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika ii

    KATA PENGANTAR

    Puji syukur penyusun haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat

    dan kurina-Nya sehingga penyusun dapat menyelesaikan Makalah mata kuliah termodinamikamengenai Hukum Kedua dan Siklus Termodinamika dengan tepat pada waktunya.

    Hambatan, keterbatasan, serta tantangan yang dihadapi penulis dalam penyusunan

    karya tulis ini begitu banyak, sehingga keberhasilan penyusunan karya tulis ini merupakan

    buah dari kerjasama, dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan

    terimakasih setulus-tulusnya kepada :

    1. Orang tua penyusun, yang selalu mengalirkan doa, dan dukungan moril, serta materilsehingga karya tulis dapat diselesaikan.

    2. Dosen Pembimbing, dalam hal ini dosen termodinamika, Ibu Wulan, yang senantiasamemberi arahan serta bimbingan.

    3. Rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Kimia FTUI yang telah memotivasi danmendukung penyusunan laporan ini.

    Tak lupa, kesempurnaan hanyalah milik Allah SWT, Tuhan yang telah menciptakan

    alam semesta beserta isinya. Oleh karena itu, penulis menyadari bahwa dalam karya tulis ini

    masih terdapat banyak kekurangan dan kesalahan. Maka, penulis mengharapkan umpan balik

    seperti kritik, saran, serta komentar pembaca.

    Depok, 27 Maret 2013

    Penyusun

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    3/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika iii

    DAFTAR ISI

    Judul ............................................................................................................................. i

    Kata Pengantar ............................................................................................................ ii

    Daftar Isi ....................................................................................................................... iii

    Pembahasan: Jawaban Pemicu

    Tugas I .......................................................................................................................... 1

    Jawaban Pertanyaan a ............................................................................................ 1

    Jawaban Pertanyaan b ........................................................................................... 3

    Jawaban Pertanyaan c ............................................................................................ 9

    Jawaban Pertanyaan d ........................................................................................... 10

    Jawaban Pertanyaan e ............................................................................................ 11

    Jawaban Pertanyaan f ............................................................................................ 13

    Tugas II ......................................................................................................................... 15

    Jawaban Pertanyaan a ............................................................................................ 15

    Jawaban Pertanyaan b ........................................................................................... 18

    Jawaban Pertanyaan c ............................................................................................ 22

    Jawaban Pertanyaan d ........................................................................................... 25

    Jawaban Pertanyaan e ............................................................................................ 28

    Daftar Pustaka ............................................................................................................. 33

    Lampiran ...................................................................................................................... 34

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    4/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 1

    PEMBAHASAN

    JAWABAN PEMICU

    Tugas 1

    a. Saat kita membicarakan siklus termodinamika, maka kita sudah melibatkanhukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika mengenal istilah

    entropi. Menurut kelompok anda apa yang disebut dengan entropi? Jika sebuah

    tangki pejal mengandung gas ideal pada 40C yang sedang digerakkan oleh roda

    dayung. Roda dayung melakukan kerja 200 kJ dan mengikuti gas ideal. Seperti

    terlihat pada Gambar dibawah. Hal ini diamati bahwa suhu gas yang ideal tetap

    konstan selama proses ini sebagai hasil perpindahan panas antara sistem dan

    lingkungan di 30C. Tentukanlah perubahan entropi gas ideal.

    Jawab :

    Entropi adalah variabel keadaan bagi suatu sistem dalam kesetimbangan. Entropi suatu

    sistem merupakan fungsi keadaan termodinamik yang perubahannya sama dengan integral

    antara keadaan awal dan akhir, yang diintegrasikan sepanjang lintasan reversibel yangmenghubungkan kedua keadaan itu. Ini berarti bahwa S selalu sama untuk sistem ketika

    sistem tersebut berada dalam kesetimbangan. Seperti halnya tekanan (P), volume (V), dan

    energi dalam (U), entropi (S) merupakan karakteristik dari sistem dalam kesetimbangan

    dengan syarat sistem berubah dengan cara reversibel (dapat dibalik). Kata lain yang dapat

    menggambarkan entropi adalah ukuran ketidakteraturan. Satuan untuk entropi adalah J/K atau

    Btu/R. Satuan untuk entropi spesifik dalam SI adalah kJ/kg.K untuk s dan kJ/kmol.K untuk

    , sedangkan satuan inggris untuk entropi spesifik adalah Btu/lb.R dan Btu/lbmol.R. (Morandan Howard).

    Perubahan entropi gas ideal

    Diketahui :

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    5/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 2

    Gambar 1. Skema sistem pengenalan sampel

    W = 200 kJ

    Ttangki = 40C (isotermal)

    Tlingkungan = 30C

    Ditanya : perubahan entropi gas ideal (S)

    Jawab :

    Asumsi :

    1. Sistem dalam keadaan sistem tertutup (closed system)

    2. Suhu dalam sistem konstan (isotermal)

    3. Steady state, tidak dipengaruhi oleh waktu

    4. U = 0 karena tidak ada perubahan suhu pada sistem (isotermal)

    Persamaan entropi :

    ...(1)

    Pada hukum termodinamika pertama, panas (Q) didapatkan dari persamaan neraca energi

    sistem tertutup :

    E = Q + W - (U + K + P) ...(2)

    Pada persamaan ini diasumsikan bahwa keadaan steady state (E =0), tidak ada

    perbedaan tinggi (P = 0), dan tidak ada aliran (K).

    ...(3)

    Pada kasus ini, sistem dijaga isotermal sehingga tidak ada perubahan suhu, maka dU = 0.

    Oleh karena itu, ...(4)Dengan mensubstitusi persamaan (4) ke persamaan (1), maka perubahan entropi gas ideal

    didapatkan :

    ...(5)Dimana W merupakan kerja yang dihasilkan dari roda dayung. Tanda minus menandakan

    bahwa sistem diberi kerja oleh roda dayung. T merupakan suhu pada sistem. Sehingga :

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    6/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 3

    (

    )

    Tanda negatif menunjukkan bahwa perubahan entropi mengalami penurunan

    (ketidakteraturan menurun).

    b. Jika anda berperan sebagai seorang engineer yang memiliki tugas seperti Budi,langkah-langkah apa yang anda lakukan untuk mengevaluasi kinerja unit

    pembangkit di atas. Mengapa evaluasi ini perlu dilakukan? Dan bilamana evaluasi

    ini dilaksanakan?

    Jawab :

    Langkah pertama yang harus perlu dilakukan adalah mengetahui apa saja tujuan untuk

    mengevaluasi kinerja unit pembangkit uap tersebut.

    Tujuan evaluasi kinerja unit pembangkit uap adalah sebagai berikut:

    1. Memastikan kerja pabrik berjalan lancar.2. Memastikan tingkat keamanan operasi unit terjaga.3. Memastikan kadar polusi akibat emisi kerja unit berada pada batas toleransi.4. Memastikan unit berada dalam kondisi fisik yang baik.5. Menentukan perlu tidaknya tambahan maintenance atau cleaning pada tiap-tiap

    komponen unit.

    6. Memastikan biaya operasional unit sesuai rancangan awal.7. Mengetahui kemungkinan biaya operasional unit dengan meninjau proses kinerja tiap

    komponen.

    Langkah kedua adalah mengetahui skema kinerja dari sistem pembangkit tenaga uap.

    Gambar 2. Sistem Pembangkit Tenaga Uap dan Diagram T-S

    Urutan Proses:

    1-2 : kompresi isentropis (di dalam pompa)

    2-3 : penambahan panas di Boiler (pada tekanan konstan)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    7/38

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    8/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 5

    Evaluasi BoilerPertama kita harus mengetahui kesetimbangan massa dan energi pada boiler.Proses

    pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi.

    Gambar 1 pada lampiran menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi

    masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan

    menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi

    yang dikandung dalam aliran masing-masing. Berdasarkan gambar tersebut, maka

    kesetimbangan massa dan energi pada volume atur boiler sebagai berikut:

    ...(6)

    ...(7)

    Efisien boiler dapat ditentukan dengan:

    ...(8)

    Secara umum perpindahan panas pada ruang bakar boiler terjadi dengan modus

    radiasi, konveksi dan konduksi. Pada modus radiasi, perpindahan panas lazimnya

    terjadi antara inti dari nyala api (hottest part of flame) dengan dinding waterwall.

    Energi radiasi dari api tersebut tergantung pada warna nyala ( luminosity of flame) dan

    jumlah penyerapan panas permukaan yang terekspos nyala tersebut. Sedangkan pada

    modus konveksi, perpindahan panas terjadi antara gas asap dengan dinding waterwall.

    Selanjutnya pada modus konduksi, aliran panas melintasi dinding dari waterwall. Dari

    perpindahan panas ini ditentukan kerugian kalor di dalam boilernya yang diakibatkan

    oleh gas buang yang kering, konveksi dan radiasi dinding, adanya abu bakar dalam

    boiler, serta blowing down uap.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    9/38

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    10/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 7

    Analisis Gas AsapPenentuan efisiensi termal alat pembangkit uap dapat dilakukan dengan

    menghitung besamya kerugian yang terjadi, melalui analisis gas asap yang terbentuk.

    Hasil analisis gas asap dapat menjadi indikator yang dapat digunakan untuk

    mengupayakan pembakaran yang sempuma dengan mengatur besamya udara lebih

    yang diperlukan untuk pembakaran, yang akan berdampak kepada lebih meningkatnya

    efisiensi unit pembangkit uap. Pengukuran komposisi gas asap juga bemanfaat untuk

    digunakan sebagai dasar mengambil tindakan dalam upaya mengatasi pencemaran

    lingkungan akibat pembakaran bahan bakar fosil. Metode ini sudah umum digunakan,

    namun agar hasil pengujian dapat diperoleh secar cepat, dapat disusun kurva-kurva

    untuk menentukan besamya kerugian yang terjadi, untuk pemakaian bahan bakar

    tertentu. Dengan bantuan dari kurva tersebut, pengujian unit pembangkit uap yangharus dilakukan secara rutin akan lebih mudah dan lebih cepat mendapatkan hasil.

    Emisi tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan oleh boiler dan sumber

    uap yang lain, desain dan operasi ruang pembakaran pada boiler dan sistem

    pembersihan jenis built-in dan add-on pada keluaran boiler.

    Evaluasi PompaPada unit pembangkit uap, sebagian besar pompa yang digunakan umumnya ialah

    pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat

    adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar).

    Keuntungan pompa sentrifugal adalah gerakan impeler yang kontinyu menyebabkan

    aliran tunak, keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan

    tidak adanya katup-katup, kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang

    dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap ukuran kecil sehingga

    hanya membutuhkan ruang yang kecil, serta lebih ringan, biaya instalasi ringan, harga

    murah dan biaya perawatan murah.

    Berdasarkan karakteristik dari pompa sentrifugal, dapat dievaluasi dimana tinggi

    tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran (output)pada kecepatan konstan.

    Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse power-

    nya. Umumnya sebuah pompa sentrifugal akan menaikkan tinggi tekan terbesarnya

    pada suatu titik, dimana tidak ada aliran yang sering dianggap sebagai shut off head.

    Jika shut off head kurang dari harga maksimum tinggi tekan, pompa menjadi tidak

    stabil dan dibawah beberapa kondisi dapat memperbesar daya dan kecepatan fluktuasi

    yang menyebabkan getaran mekanis yang besar pada sistem pemipaan.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    11/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 8

    Performance pompa sentrifugal juga dapat dievaluasi dengan berdasarkan pada

    suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik (specific speed). Hal ini merupakan

    hubungan antara kapasitas, tinggi tekan, dan kecepatan pada efisiensi optimum yang

    mengklasifikasikan impellerpompa dengan respek terhadap persamaan geometris.

    Efisiensi pompa dapat dipengaruhi oleh kavitasi yang terjadi dalam pompa. Untuk

    menghindati kavitasi diusahakan agar tidak ada satu bagianpun dari aliran didalam

    pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rendah dari tekan uap jenuh cairan pada

    temperatur yang bersangkutan. Dalam hal ini perlu diperhatikan dua macam tekanan

    yang memegang peran penting. Pertama,tekanan yang ditentukan oleh kondisi

    lingkungan dimana pompa dipasang, dan kedua,tekanan yang ditentukan oleh keadaan

    aliran didalam pompa. Berhubungan dengan dua hal tersebut, maka didefinisikanlah

    suatu Net Positive Suction Head (NPSH) atau Head Isap Positif Neto yang dipakaisebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Ada dua macam NPSH, yaitu

    NPSH yang tersedia pada sistem (instalasi), dan NPSH yang diperlukan oleh pompa.

    Pompa terhindar dari kavitasi jika NPSH yang tersedia lebih besar daripada NPSH

    yang dibutuhkan.

    Evaluasi KondenserKondenser merupakan komponen pendingin yang sangat penting dan sebagai alat

    penukar kalor yang memiliki ribuan tube yang mana air pendingin mengalir. Uap air

    terkondensasi ketika melalui bundel tube dan kontak dengan permukaan tube tersebut.

    Sistem pendingin mempunyai peranan penting, karena itu diperlukan jumlah air yang

    relatif besar untuk mengabsorbsi panas yang dilepas oleh uap selama proses

    kondensasi. Semakin rendah tekanan dikondensor maka semakin besar daya yang bisa

    dibangkitkan namun tekanan dikondensor tidak boleh terlalu rendah karena akan

    mengakibatkan kualitas uap yang diekspansikan semakin rendah sehingga terdapat

    titik-titik air didalam uap yang akan mengakibatkan kavitasi pada last blade turbin.

    Efisiensi siklus pembangkit uap dapat dinaikkan dengan melakukan beberapa cara,

    seperti: (a)menurunkan tekanan kondensor, (b)pemanasan lanjut uap, dan

    (c)menaikkan tekanan Boiler. Dalam pengembangan selanjutnya, menaikkan efisiensi

    termal siklus dapat dilakukan pula dengan beberapa cara sebagai berikut: (a sistem

    pemanasan ulang, (b)sistem regenerasi dan (c)sistem cogenerasi.

    Evaluasi dari kinerja unit pembangkit uap di atas perlu dilakukan dalam rangka

    memastikan agar penyediaan fasilitas dan peralatannya dapat memenuhi kebutuhan

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    12/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 9

    pabrik. Seringkali suatu pembangkit mengalami masalah dalam proses siklus

    tenaganya seperti heat loss yang berlebih (over), faktor korosi, maupun kerusakan

    mekanis. Hal tersebut dapat menimbulkan kerugian yang cukup banyak bila ditinjau

    dari aspek ekonomi (pabrik tidak dapat beroperasi tanpa adanya aliran listriknya),

    aspeksosial (meningkatkan kemungkinan kriminalitas bila mati lampu terjadi pada saat

    malam hari), dan aspek-aspek lainnya. Oleh karena itu evaluasi terhadap sistem

    pembangkit wajib dilakukan secara berkala agar kejadian-kejadian diatas dapat

    dicegah atau dikurangi dampaknya secara signifikan (bila memang tidak mungkin

    untuk dicegah, misalnya korosi, untuk mengurangi laju korosi dapat digunakan

    proteksi katodik, yaitu dengan mengubah komponen kerja menjadi katoda, dimana

    dialirkan elektron tambahan ke dalam material.

    c. Bagaimana menurut anda perbedaan proses yang terjadi dalam siklus Carnot,siklus Rankine dan siklus proses nyata?

    Jawab :

    Perbedaan yang terjadi dalam siklus Rankine dan siklus Carnot adalah sebagai berikut:

    Siklus Rankinea)Fluida yang digunakan berupa cairan.

    b)Proses yang terjadi adalah dua tahap isentropik dan dua tahap isobarik.c)Dikembangkan untuk mengatasi kelemahan siklus Carnot (dihambatnya

    kemampuan boiler menghasilkan uap superheated oleh kondisi isothermal).

    Siklus Carnota)Fluida yang digunakan berupa gas.

    b)Proses yang terjadi adalah dua tahap adiabatik dan dua tahap isotermal.c)Merupakan siklus termodinamik ideal yang reversibel.d)Tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang

    mutlak reversibel di keadaan nyata, tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas

    untuk siklus-siklus lainnya.

    Siklus Proses Nyataa)Kompresi yang dilakukan oleh pompa dan ekspansi yang terjadi di dalam turbin

    tidak isentropik.

    b)Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur THand TCtidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    13/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 10

    c)Proses yang terjadi tidak reversibel dan terdapat peningkatan entropi selama proseskompresi dan ekspansi berlangsung.

    d. Bagaimana menurut anda jika siklus tenaga uap Carnot merupakan model yangsesuai untuk pembangkit tenaga uap sederhana?

    Jawab :

    Sistem pembangkit daya tenaga uap merupakan salah satu mesin kalor dengan sistem

    pembakaran luar. Pembakaran dilakukan di luar mesin untuk menghasilkan energi panas yang

    kemudian ditransfer ke uap. Energi input tersebut kemudian sebagian diubah menjadi kerja

    oleh turbin dan sebagian lagi dilepas ke lingkungan yang memiliki temperatur yang lebih

    rendah.

    Pembangkit tenaga uap menggunakan siklus uap tertutup, dimana pada prosesnya uap

    yang telah memutar turbin dengan energinya akan dikondensasikan kembali menjadi air dan

    akan dipompakan ke boiler. Selanjutnya air tersebut akan dipanaskan kembali di dalam boiler,

    sehingga menghasilkan uap. Siklus ini terjadi terus menerus. Urutan proses pada pembangkit

    tenaga uap seperti yang telah dipaparkan pada jawaban 1b, bahwa :

    Pada pompa terjadi proses isentropis. Pada boiler terjadi proses isobarik. Pada turbin terjadi proses isentropis. Pada kondensor terjadi proses isobarik.Meskipun siklus Carnot merupakan siklus yang efisien, akan tetapi kurang cocok untuk

    diterapkan pada sistem tenaga uap. Hal ini disebabkan, karena pada siklus Carnot proses yang

    terjadi secara berurutan adalah adiabatik, isotermal, adibatik, dan isotermal. Sedangkan

    apabila kita melihat proses yang terjadi pada siklus pembangkit tenaga uap, siklus Carnot

    bukanlah pilihan yang tepat. Beberapa hal yang membatasi penerapan siklus Carnot pada

    sistem tenaga uap adalah:

    1. Proses pemasukan dan pembuangan kalor yang dilakukan secara isotermal hanya

    mudah dilakukan ketika berada pada daerah perubahan fase cair-uap. Pada

    kenyataannya daerah perubahan fase cair-uap sangat terbatas, sehingga membatasi

    daerah kerja sistem tenaga uap apabila menggunakan siklus Carnot. Selain itu,

    keterbatasan temperatur maksimum juga akan membatasi efisiensi termal dari siklusCarnot.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    14/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 11

    2. Proses kompresi dan ekspansi isentropik pada Pompa dan Turbin dilakukan pada

    kondisi uap campuran (uap basah). Kandungan uap pada liquid tentunnya kurang baik

    bagi kerja pompa, sebaliknya adanya kandungan cairan kurang baik juga untuk kerja

    turbin. Kekurangan-kekurangan tersebut yang mengakibatkan siklus Carnot menjadi

    kurang realistik atau tidak dapat diterapkan dalam sistem tenaga uap.

    Oleh karena itu, menurut kami dalam penerapan pada pembangkit tenaga uap, kurang

    sesuai jika menggunakan siklus Carnot. Seperti yang telah dipaparkan pada jawaban 1.c di

    atas mengenai perbedaan antara siklus Carnot dan siklus Rankine, pada pembangkit tenaga

    uap ini akan lebih sesuai jika siklus yang digunakan adalah siklus Rankine karena pada proses

    penerapannya sesuai.

    e. Bagaimana pengaruh kondisi operasi dan konfigurasi suatu siklus terhadap nilaiefisiensi secara keseluruhan? Dan bagaimana pengaruh sifat irreversibilitas

    terhadap siklus tenaga?

    Jawab :

    Pengaruh kondisi operasi dan konfigurasi suatu siklus terhadap nilai efisiensisecara keseluruhan.

    Sebuah batasan pada kinerja sistema yang menjalani siklus daya dapat dijelaskan dengan

    menggunakan pernyataan Kevin-Planck tentang hukum kedua termodinamika. Misalkan

    siklus tenaga seperti gambar di bawah ini.

    Gambar 3. Analogi Siklus Daya

    Efisiensi termal dari siklus tersebut adalah

    (10)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    15/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 12

    Dengan adalah efisiensi termal, H adalah jumlah energi yang diterima sistem darireservoir panas melalui perpindahan panas dan Qc adalah jumlah energi yang dilepaskan dari

    sistem ke reservoir dingin melalui perpindahan kalor.

    Berdasarkan efek Carnot (Carnot corollaries) kedua sebagai berikut:

    Semua siklus daya reversibel (sempurna) yang beroperasi di antara dua reservoir yang sama

    mempunyai efisiensi termal yang sama.

    Dari pernyataan tersebut dapat disimpulkan bahwa siklus harus memilki efisiensi yang

    sama apa pun pilhan zat kerja atau urutan (konfigurasi) proses yang terjadi selama siklus

    tersebut berlangsung secara reversibel (sempurna) dan beroperasi pada reservoir termal yang

    sama. Dengan demikian, efisiensi hanya bergantung pada temperatur kedua reservoir tersebut.

    Perbedaan temperatur memberikan dorongan untuk terjadinya perpindahan kalor antara

    keduanya begitu pula untuk produksi kerja selama proses. Oleh karena itu, persamaan

    efisiensi termal (10) dapat ditulis sebagai fungsi temperatur seperti berikut:

    ...(11)

    Dengan TC adalah temperatur pada reservoir dingin dan TH adalah temperatur pada

    reservoir panas. TC dan TH dalam skala temperatur absolut yaitu Kelvin atau Rankine.

    Persamaan (11) di atas adalah efisiensi termal untuk semua siklus daya reversibel yang

    beroperasi di antara dua reservoir termal pada temperatur TC dan TH, serta merupakan

    efisensi maksimum yang dapat dicapai oleh setiap siklus daya yang beroperasi di antara dua

    reservoir termal.

    Jadi, bila diasumsikan bahwa siklus berlangsung secara reversibel (sempurna) maka

    efisiensi siklus secara keselurahan hanya dipengaruhi oleh suhu mutlak dari masing-masing

    reservoir tanpa dipengaruhi oleh kondisi operasi dan konfigurasi proses. Hal ini merupakan

    bentuk idealisasi siklus guna menentukkan efesiensi maksimum yang dapat dicapai suatu

    siklus. Pada praktek nyatanya, siklus semacam ini tidaklah mungkin terjadi, di mana faktor

    ireversibilitas sangat berpengaruh terhadap kinerja siklus dan berimplikasi pada efisiensi

    siklus secara keseluruhan.

    Pengaruh sifat ireversibilitas terhadap siklus tenagaSalah satu kegunaan penting dari hukum termodinamika kedua dalam teknik rekayasa

    adalah untuk menentukan kinerja teoritis terbaik sistem. Biasanya kinerja terbaik dievaluasi

    sebagai fungsi dari proses yang diidealisasikan (proses berlangsung secara reversible). Suatu

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    16/38

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    17/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 14

    Pada turbin: P1= 8 MPa, T1= 480oC

    Pada kondenser: P2= 8 kPa

    Wcycle= 100 MW

    Ditanyakan: efisiensi () Jawab:

    Efisiensi didapatkan dengan persamaan:

    (12)

    Nilai QHyang dibutuhkan untuk menghitung efisiensi dapat dihitung dengan persamaan:

    (13)

    Nilai Qcsendiri bisa didapatkan dengan persamaan:

    (14)

    Untuk menyelesaikan persamaan (14), maka dibutuhkan data entalpi dari fluida yang

    bekerja saat di kondenser dan turbin.

    o KondenserKeadaan fluida pada saat memasuki kondenser adalah saturated vapor, sehingga

    entalpi pada kondenser adalah entalpi saturated vaporpada tekanan 8 kPa, seperti

    yang diketahui dari soal, yaitu 2576,2 kJ/kg.

    o TurbinKeadaan fluida pada saat memasuki turbin adalah superheated vapor, sehingga

    entalpinya bisa didapatkan dari tabel superheated pada tekanan 8 MPa dan suhu

    480oC. Entalpi pada turbin didapatkan sebesar 3348,92 kJ/kg.

    Dengan mengasumsikan bahwa massa fluida yang digunakan adalah sebanyak 1 kg,

    maka nilai Qcbisa didapatkan:

    Tanda negatif menandakan bahwa kalor dikeluarkan dari sistem selama proses dari turbin

    ke kondenser.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    18/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 15

    Selanjutnya, nilai QH bisa didapatkan dengan mensubstitusikan nilai Qc ke dalam

    persamaan (13):

    Efisiensi kemudian didapatkan dengan mensubstitusikan nilai QH ke dalam

    persamaan(12):

    Dari hasil perhitungan, didapatkan bahwa efisiensi siklus sangat baik dan mendekati

    angka 1, yang menandakan bahwa hampir seluruh kalor yang diberikan yang dikonversi

    menjadi kerja oleh sistem. Namun, dalam aplikasi secara nyata, hal ini tidak mungkin terjadi.

    Hal ini disebabkan oleh kompresi yang dilakukan oleh pompa dan ekspansi yang dilakukan

    oleh turbin tidaklah berlangsung secara isentropic, sehingga menambah daya yang dibutuhkan

    oleh pompa dan mengurangi daya yang dihasilkan oleh turbin.

    Tugas 2

    a. AC merupakan salah satu aplikasi siklus Refrijerasi Kompresi Uap. Bagaimanaanda menjelaskan mekanisme kerja siklus tersebut?

    Jawab :

    Gambar 4. Diagram T-s untuk siklus refrigerasi actual vapor-compressed

    Siklus ini terdiri atas 4 proses yaitu:

    Proses 1-2 : Kompresi uap isentropik pada kompresor (tekanan naik)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    19/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 16

    Proses 2-3 : Pada tekanan konstan, uap didinginkan dan dikondensasikan (terjadi

    pelepasan panas dan menjadi cairan)

    Proses 3-4 : Terjadi proses ekspansi (tekanan kembali ke awal)

    Proses 4-1 : Cairan berevaporasi pada tekanan konstan (terjadi penyerapan panas)

    Pada diagram TS terlihat adanya garis putus-putus (3 - 4) yang menunjukan kondisi

    isentropik. Selain itu ada juga garis lurus dari 34 yang menunjukan kondisi isentropik. Pada

    siklus kompresi-uap, refrijeran akan memasuki kompresor pada keadaan 1 sebagai uap jenuh

    dan dikompres secara isentopik pada tekanan kondenser. Temperatur refrijeran akan naik

    selama proses isentropik ini. Refrijeran kemudian memasuki kondenser sebagai uap lewat

    jenuh pada keadaan 2 dan meninggalkannya sebagai cair jenuh pada keadaan 3. Temperatur

    refrijeran di sini tetap di atas temperatur sekitar.Cair jenuh yang ada pada keadaan 3 kemudian di throttle menuju tekanan evaporator

    dengan melewatkannya pada katup ekspansi atau tabung kapiler (entalpi konstan). Temperatur

    refrijeran akan turun di bawah temperatur dari ruangan yang didinginkan selama proses

    berlangsung. Refjireran kemudian memasuki evaporator pada keadaan 4 sebagai keadaan

    campuran jenuh kualitas rendah dan refrijeran ini kemudian berevaporasi sebagai uap jenuh

    dan memasuki kompresor kembali untuk menyempurnakan siklusnya.

    Keempat peralatan yang digunakan bekerja dalam kondisi steady state. Perubahan energi

    kinetik dan potensial dari refrijeran sangat kecil sehingga seringkali diabaikan. Berikut

    persamaan energi dengan basis unit massa :

    ieoutinoutin hhwwqq )()( ...(15)

    Gambar 5. Diagram p-h daur kompresi uap

    Kondenser dan evaporator tidak terlibat dalam kerja. Kompresor bekerja secara adiabatik.

    Maka, COP (Coefficient of Performance) dari pendingin dan heat pump =

    12

    41

    , hh

    hh

    w

    qCOP

    innet

    LR

    ...(16)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    20/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 17

    12

    32

    , hh

    hh

    w

    qCOP

    innet

    HHP

    ...(17)

    Cara kerja AC

    Mesin pendingin udara ruangan (Air Conditioner/AC) adalah alat yang menghasilkan

    dingin dengan cara menyerap udara panas sekitar ruangan. Proses udara menjadi dingin

    adalah akibat dari adanya pemindahan panas, sedangkan bahan yang digunakan sebagai bahan

    pendingin dalam mesin pendingin disebut refrigeran.

    Di dalam Air Conditioner dibagi menjadi 2 ruang, yaitu ruang dalam dan ruang luar. Di

    bagian ruang dalam udaranya dingin karena adanya proses pendinginan. Di bagian ruang luar

    digunakan untuk melepaskan panas ke udara sekitar.

    Secara umum gambaran mengenai prinsip kerja AC adalah:

    Penyerapan panas oleh evaporator Pemompaan panas oleh kompresor Pelepasan panas oleh kondensorPrinsip kerja AC pemindahan panas diperlukan energi tambahan yang ekstra besar karena

    udara yang didinginkan skalanya lebih besar dan banyak. Di dalam mesin Air Conditioner

    (AC) bentuk refrigeran berubah-ubah bentuk dari bentuk gas ke bentuk cairan. Pada

    kompresor refrigeran masih berupa uap, tekanan dan panasnya dinaikkan dengan cara

    dimampatkan oleh piston dalam silinder kompresor. Kemudian uap panas tersebutdidinginkan pada saluran pipa kondensor agar menjadi cairan. Pada saluran pipa kondenser

    diberi kipas untuk mempercepat proses pendinginan. Proses pelepasan panas ini disebut

    teknik pengembunan.

    Selanjutnya cairan refrigeran dimasukkan ke dalam evaporator dan dikurangi tekanannya

    sehingga menguap dan menyerap panas udara sekitar. Di dalam AC bagian dalam ruangan,

    udara dingin disebarkan menggunakan kipas blower. Dalam bentuk uap (gas) refrigeran

    dihisap lagi oleh kompresor. Demikian proses tersebut berulang terus sampai gas habis

    terpakai dan harus diisi kembali.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    21/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 18

    Gambar 6. Diagram alur AC

    Siklus Aliran Udara

    Di bagian ruang dalam yang udara di sekitarnya panas akan digantikan oleh udara yang

    telah didinginkan melalui kipas blower. Udara panas akan terserap masuk ke dalam kipas

    blower dan didinginkan didalam ruang kipas blower.

    Gambar 7. Siklus aliran udara AC

    Di bagian luar ruangan terdapat kondesor yang melepas panas refrigeran setelah proses

    pemampatan kompresor. Untuk mempercepat proses pelepasan panas maka ditambahkan

    kipas.

    b. Dapatkah anda mendeskripsikan komponen-komponen yang terdapat dalam siklusrefrijerasi kompresi uap?

    Jawab :

    Komponen-komponen utama yang terdapat dalam siklus refrijerasi kompresi uap adalah

    evaporator, kompresor, kondensor, dan katup ekspansi.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    22/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 19

    Gambar 8. Bagan komponenAir Conditioner

    Evaporator

    Evaporator atau sering juga disebut boiler, freezer, froster, cooling coil, chilling unit, dan

    lain-lain. Evaporator berfungsi sebagai pengambil panas (menyerap panas) dari udara atau

    didalam mesin pendingin yang akan didinginkan. Di dalam evaporator, terjadi perubahan

    wujud refrigeran dari cairan menjadi uap. Proses perubahan wujud ini memerlukan energi

    yang sangat besar yang diambil dari lingkungan dalam ruang pendingin. Ketika proses

    penguapan refrigeran terjadi, panas yang ada di dalam ruang pendingin akan diambil.

    Kompresor yang sedang bekerja menghisap bahan pendingin gas dari evaporator, sehingga

    tekanan di dalam evaporator menjadi rendah dan vakum.

    Evaporator diletakkan di dalam ruangan yang sedang didinginkan. Evaporator terletak

    pada sisi tekanan rendah, yaitu diantara alat pengatur bahan pendingin dan kompresor.

    Terdapat dua jenis Evaporator yaitu:

    Evaporator ekspansi langsung (direct/dry expansion type)Pada ekpansi langsung, refrigeran langsung menguap di dalam coil pendingin dan kontak

    langsung dengan objek yang diinginkan karena pada bagian keluarannya dirancang selalu

    terjaga kering agar refrigeran yang berfasa cair telah habis menguap sebelum terhisap keluar

    ke saluran masuk kompresor.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    23/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 20

    Evaporator ekspansi tidak langsung (indirect/wet expansion type)Pada ekspansi tidak langsung, digunakan medium perantara untuk mengambil panas saat

    penguapan. Medium perantara ini kemudian dipompakan ke objek yang akan didinginkan.

    Evaporator tidak langsung digunakan jika lokas pendinginan berada di tempat yang

    berjauhan. Medium perantara yang sering digunakan adalah air jika suhu masih diatas beku,

    dan larutan garam (campuran CaCl2 dan etilen atau propilen glikol) untuk suhu yang lebih

    rendah dari suhu beku.

    Kompresor

    Kompresor adalah komponen yang merupakan jantung dari sistem refrigerasi. Kompresor

    berfungsi untuk meningkatkan suhu dan tekanan dari refrigeran setelah keluar dari evaporator.

    Kerja dari kompresor adalah menghisap uap refrigeran dari evaporator dan mendorongnya

    dengan cara mengkompresnya menjadi uap bertekanan tinggi, sehingga uap akan tersirkulasi

    dan mengalir masuk ke kondenser. Antara evaporator dan kondenser yang dihubungkan

    dengan kompresor, terjadi perbedaan tekanan, dimana pada kondenser tekanan refrigeran

    menjadi tinggi (high pressure/HP), sedangkan di evaporator tekanan refrigeran menjadi

    rendah (low pressure/LP). Oleh karena itu, refrigeran mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan

    rendah.

    Kebanyakan kompresor-kompresor yang dipakai adalah dari jenis torak (piston). Jika

    piston bergerak turun dalam silinder, katup hisap terbuka dan uap refrigeran masuk dari

    saluran hisap ke dalam silinder. Daya hisap dan kemampuan kompresor bergantung dari

    kecepatan gerak dan udara dari semua bagian yang berhubungan dengan katup ini. Pada saat

    piston bergerak ke atas, tekanan uap di dalam silinder meningkat dan katup hisap menutup,

    sedangkan katup tekan akan terbuka, sehingga uap refrigean akan ke luar dari silinder melalui

    saluran tekan menuju ke kondensor. Katup hisap dan katup tekan (buang) biasanya terbuat

    dari bahan yang sama, yaitu baja khusus (compressor valve steel).

    Kondensor (pengembun)

    Kondensor adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin dari kompresor

    dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Pada kondensor terjadi perubahan wujud refrigeran

    dari uap super-heated bertekanan tinggi ke cairan sub-cooled bertekanan tinggi dimana

    tekanan dan temperaturnya masih tetap tinggi. Agar terjadi perubahan wujud refrigeran

    (condensing), maka kalor uap refrigeran dilepaskan ke lingkungan. Kalor yang dikeluarkan

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    24/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 21

    dari refrigeran berasal dari kalor yang diserap dari evaporator (ruang yang didinginkan) dan

    kalor yang dihasilkan oleh kompresor.

    Kondensor berfungsi untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigeran dari gas

    menjadi cair. Posisi kondensor berada diantara kompresor dan alat pengatur refrigeran (bahan

    pendingin), yaitu pada sisi tekanan tinggi dari sistem. Kondensor diletakkan di luar ruangan

    agar dapat membuang panasnya ke luar kepada zat yang mendinginkannya (terjadi proses

    pendinginan). Media pengembun refrigeran pada kondensor bisa berupa udara (air cooled

    condenser), air (water-cooled condenser) atau campuran udara dan air (evaporative

    condenser). Untuk media pendingin udara bisa terjadi secara konveksi alami maupun

    konveksi paksa (forced konvection). Pada sistem AC split, kondensor dan kompresor

    tergabung dalam condensing unit.

    Untuk memperbesar perpindahan kalor, pada konstruksi pipa-pipanya diberi sirip-sirip

    (fins). Selain untuk memperluas permuakaan pipa, sirip-sirip ini juga untuk menambah

    kekuatan konstruksi dari kondensor. Seperti yang telah diterangkan bahwa refrigeran

    meninggalkan kompresor dalam bentuk uap yang bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi pula.

    Uap ini harus dicairkan untuk dapat dicairkan lagi. Hal tersebut menjadi tugas kondensor.

    Kondensasi merupakan proses pelepasan kalor refrigeran superheat ke lingkungan

    sehingga fasanya berubah dari uap menjadi cair jenuh tetapi tekanan dan temperaturnya masih

    tetap tinggi.

    Katup Ekspansi (Expansion Valve)

    Katup ekspansi adalah alat yang berfungsi untuk mengekspansikan refrigeran, sehingga

    tekanannya turun. Refrigeran yang keluar dari kondensor mempunyai suhu dan tekanan

    tinggi, sedangkan refrigeran yang masuk ke dalam evaporator harus memiliki suhu dan

    tekanan rendah. Oleh karena itu, untuk menurunkan suhu dan tekanan tinggi ini diperlukansuatu alat ekspansi.

    Katup ekspansi ini seperti gerbang yang mengatur banyaknya refrigeran cair yang boleh

    mengalir ke dalam evaporator, sehingga sering dinamakan refrigerant flow controller.

    Besarnya laju aliran refrigeran merupakan salah satu faktor yang menentukan besarnya

    kapasitas refrigerasi. Pada sistem refrigerasi yang kecil, maka laju aliran refrigeran yang

    diperlukan juga kecil, sedangkan sistem refrigerasi yang besar akan mempunyai laju aliran

    refrigeran yang besar pula.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    25/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 22

    c. Pendingin ruangan yang dikenal sebagai AC (air-conditioner) pada umumnya kinimenggunakan refrijeran R-134a menggantikan refrijeran R-12. Jika sebuah AC

    merek AsalDinGin berkapasitas 1 PK memiliki spesifikasi sebagai berikut:

    Cooling Capacity: 9.000 BTU/h Timer: 24 Hours Timer Air Purifying: Vi tamin C Fi lter Special Feature 1: Jet Function Special Feature 2: Washable PP Fil ter Special Feature 3: - Remote Control: Yes Power Consumption: 950 W

    Garansi: 3 th compresor 1 th sparepartPerkirakanlah laju alir massa refrijeran pada AC tersebut dan coefficient of

    performance AC tsb, dengan menuliskan semua asumsi yang Anda gunakan yang

    diusahakan mendekati kenyataan yang ada!

    Jawab :

    Diketahui:QL= 9000 Btu/h; -W = 950 W

    Ditanya :laju alir massa (m); COP

    Asumsi:

    Sistem beroperasi dalam keadaansteady state. Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan. Siklus refrigerasi yang terjadi adalah actual vapor-compressed. Refrigerant memasuki kompresor sebagai slightly superheated vapor dan

    meninggalkan kondenser sebagaisubcooled; pada siklus aktual sulit untuk mengontrol

    staterefrigerant dengan tepat.

    Kompresor dipengaruhi friksi yang mempengaruhi volume spesifik dan kondisirefrigerant tidak lagi isentropik.

    Untuk kondisi tekanan dan suhu masuk-keluaran digunakan: Refrigerant 134a memasuki kompresor pada tekanan 0,14 MPa dan suhu -10oC;

    meninggalkan kompresor pada tekanan 0,8 MPa dan suhu 50oC.

    Refrigerant memasuki kondenser pada tekanan 0,72 Mpa dan suhu 26oC dandilewatkan ke throttle pada tekanan 0,15 MPa. (Data angka-angka yang diperoleh

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    26/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 23

    dari berbagai contoh soal pada buku Cengel (Chapter 11) untuk siklus refrigerasi

    dengan refrigerant 134-a).

    Analisis:

    Kondisi refrigerant pada diagram T-s di atas diambil dari Tabel A-11 (Cengel) untuk

    refrigerant 134-a.

    Kondisi 1(lihatsaturated table):

    P1= 0,14 MPa = 20,314 psia

    T1= -10oC =14

    oF

    Ps = 29 psia karena Ps> P1, maka uap dalam keadaansuperheated

    darisuperheated table h1= 246,36 kJ/kg; s1=0,94456 kJ/kg K

    Kondisi 2:

    Isentropik

    P2= 0,8 MPa h2s= 284,21 kJ/kg

    s1= s2s

    Aktual

    P2= 0,8 MPa h2= 286,69 kJ/kg

    T2= 50oC

    Kondisi 3:

    P3= 0,72 MPa Ts= 81,71oF = 27,62

    oC karena Ts> T3, maka uapsaturated

    T3= 26oC dari saturated table, Ts = 81,81oF = 27,62oC Ts> T3subcooled

    karena table subcooled tidak tersedia, maka nilai h3 diambil dari hf

    pada suhu 26oC

    h3= 87,83 kJ/kg

    Kondisi 4:

    Pada throttle, nilai h4= h3= 87,83 kJ/kg

    Karena kompresor tidak isentropik, efisiensi kompresor pada siklus ini adalah,

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    27/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 24

    %8,93938,0246,3669,286

    36,24621,284

    12

    12

    hh

    hh sc

    Laju alir massa refrigerant pada AC dapat dihitung menggunakan persamaan,

    1122

    umumEpEkhmEpEkhmWQiiee

    karena kondisi sistem steady state dan perubahan energi potensial dan energi kinetik

    diabaikan maka

    iiee hmhmWQ

    Untuk menghitung laju massa dapat dilihat pada sistem evaporator

    skg

    kgkJ

    Btu

    kW

    s

    h

    h

    Btu

    m

    hh

    Qm

    hhmhmhmQmmmWhmhmWQ iiee

    /01664,0/83,8736,246

    055,1.

    3600.

    9000

    ;0

    41

    414411

    41

    Laju massa pada evaporator seharusnya sama dengan laju massa pada kompresor dan unit

    lainnya.

    Jika dilihat dari sistem kompresor, maka laju massa dapat dihitung dengan persamaan berikut:

    skg

    kgkJ

    kWm

    hh

    Wm

    hhmhmhmW

    mmmQhmhmWQ iiee

    /02356,0/36,24669,286

    10.950

    ;0

    3

    12

    121122

    21

    Hasil laju massa jika ditinjau dari sistem kompresor berbeda dengan hasil dari tinjuan

    pada evaporator. Hal ini dapat disebabkan oleh:

    o Asumsi tekanan dan suhu kurang tepat. Untuk memperoleh nilai laju massa yang tepatdapat digunakan cara berikut.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    28/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 25

    QWhhWhQhWhQhQhW

    hQhQhWhW

    hh

    Q

    hh

    W

    mm evaporatorkompresor

    142

    4211

    1241

    4112

    .

    ...

    ...

    Jika kondisi masuk dan keluaran (1 dan 2) dipertahankan, nilai h4yang diperoleh adalah

    134,4 kJ/kg. Harga entalpi ini lebih tinggi dibanding harga entalpi yang telah dihitung pada

    asumsi awal; suhu fluida saat masuk expansion valvejuga menjadi lebih tinggi dari suhu yang

    keluar dari kompresor.

    o Nilai power consumption pada spesifikasi AC adalah nilai maksimum, yaitu ketikafriksi danpressure droptidak diperhitungkan.

    Nilai coefficient of performance(COP) dapat diselesaikan dengan cara membagikalor yang diserap dari daerah yang didinginkan oleh AC dengan kerja yang

    dibutuhkan sebagai berikut:

    7763,210.950

    055,1.

    3600

    .9000

    3

    kWBtu

    kW

    s

    h

    h

    Btu

    WQCOP LR

    d. Jika refrijeran R-134a diganti dengan salah satu dari tiga hidrokarbon berikut:etana, propana, dan butana; manakah yang anda pilih sebagai fluida kerja

    pengganti R-134a? Berikanlah alasan anda lihat dari segi termodinamika lengkap

    dengan berbagai perhitungan yang menunjang.

    Jawab :

    Ada beberapa parameter yang dapat dipertimbangkan dalam memilih refrijeran untuk

    menggantikan R-134a. Yang utama adalah suhu antara refrijeran dan media yang didinginkan

    harus dijaga perbedaannya antara 5-10oC. Dalam penggunaan AC, biasanya suhu media yang

    didinginkan dijaga pada 25oC. Refrijeran pada suhu 25

    oC harus memiliki tekanan jenuh yang

    lebih besar dari tekanan atmosfir. Tekanan terendah pada siklus refrijerasi terjadi di

    evaporator, dan tekanan di refrijeran harus lebih besar dari tekanan atmosfir untuk mencegah

    kebocoran udara ke dalam sistem refrijerasi. Oleh karena itu, pemilihan pengganti R-134a

    dapat dilihat dari tekanan jenuhnya pada suhu 25oC.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    29/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 26

    Tekanan jenuh dari R-134a, etana, butane dan propane pada suhu 25oC didapatkan dari

    Perrys Chemical Engineers Handbook 8thEdition:

    R-134aSuhu (K) Tekanan jenuh (MPa)

    290 0,51805

    300 0,70282

    Tekanan pada 25oC (298 K) didapatkan dengan cara menginterpolasi tekanan pada suhu

    290 K dan 300 K:

    PropanaSuhu (K) Tekanan jenuh (MPa)

    295 0,87805

    310 1,2726

    Tekanan pada suhu 25oC (298 K) didapatkan dengan cara menginterpolasi tekanan pada

    suhu 295 K dan 310 K:

    ButanaSuhu (K) Tekanan Jenuh (MPa)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    30/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 27

    290 0,18734

    305 0,29946

    Tekanan pada 25oC (298 K) didapatkan dengan cara menginterpolasi tekanan pada suhu

    290 K dan 305 K:

    EtanaSuhu (K) Tekanan Jenuh (MPa)

    290 3,5159

    300 4,3573

    Tekanan pada 25oC (298 K) didapatkan dengan cara menginterpolasi tekanan pada suhu

    290 K dan 300 K:

    Dari data-data di atas, dapat dilihat bahwa refrijeran yang tekanannya mendekati tekanan

    R-134a pada suhu 25oC adalah refrijeran propana. Selain itu, keunggulan propana dibanding

    pilihan refrijeran lainnya adalah propana tidak berpotensi menimbulkan penipisan lapisan

    ozon dan pemanasan global. Propana juga tidak bersifat beracun. Selain itu, propana dapat

    meningkatkan efisiensi sistem refrijerasi karena kalor latennya lebih tinggi dibanding

    refrijeran sintetis sehingga kapasitas pendinginannya lebih tinggi.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    31/38

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    32/38

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    33/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 30

    Tabel 2. Superheated Refrigerant R-12

    Sumber: Sumber : thermofluids.sdsu.edu//TsatR12.html

    Kondisi 1Refrijeran dalam keadaan uap jenuh dengan T1= 20

    oC

    h1= 195,78 Kj/Kg s1 = 0,6884 Kj/Kg.K

    Kondisi 2Refrijeran dalam keadaan superheated. Asumsi berdasarkan grafik T-s didapat P2

    = P3 1 Mpa (T 40 oC). Dan s2= s1 = 0,6884 Kj/Kg.KDengan melihat tabel superheated pada kondisi s1dan P2

    Interpolasi :

    h2= 204,4 Kj/Kg

    Kondisi 3Refrijeran dalam keadaan cairan jenuh dengan T3 = 40

    oC

    h3= 74,59 Kj/Kg s3= 0,2718 Kj/Kg.K

    Kondisi 4Refrijeran dalam keadaan campuran uap dan cairan dengan T4 = T1 = 20

    oC.

    Berdasarkan asumsi (4), maka h3= h4= 74,59 Kj/Kg

    a. Menghitung Daya yang dibutuhkan oleh kompresor

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    34/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 31

    Gambar 10. Skema proses pada kompresor

    Neraca aliran massasteady state:

    1=2=

    Neraca energisteady state:

    c =

    c

    c

    b. Menghitung kapasitas refrijerasi

    Gambar 11. Skema proses pada evaporator

    Neraca aliran massasteady state:

    4=1=

    Neraca energisteady state:

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    35/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 32

    in=

    ( )

    = c. Koefisien kerja siklus Carnot

    TC= 20oC = 293 K

    TH= 40oC = 313 K

    max =

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    36/38

    Kelompok 3 Hukum 2 dan Siklus Termodinamika 33

    DAFTAR PUSTAKA

    Anonim. 2007.R290 Refrigerant Grade Propane.

    http://www.lindeus.com/internet.lg.lg.usa/en/images/Linde%20R290%20Refrigerant%20Grade%20Propane138_11493.pdf.Diakses pada 24 Maret 2013 pukul 08.00

    Anonim. Siklus Kompresi Uap Sunyoto.

    http://www.crayonpedia.org/mw/BAB_23_SIKLUS_KOMPRESI_UAP_SUNYOTO.

    Diakses pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 19.00.

    Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2006. Thermodynamics: An Engineering Approach, 5thed.

    McGraw-Hill.

    Cengel A. Yunus & Boles.A. Michael. 2007. Thermodynamics, An Engineering ApproachSixth Edition (SI Unit s ). Mc Graw Hill. Singapore.

    Green, D.W., Perry, R.H. 2006. Perrys Chemical Engineers Handbook 8thEdition. McGraw-

    Hill.

    Marner W.J., "Progress in Gas Side Fouling of heat Transfer Surfaces", Appl. Mech. Rev,

    Vol. 43, 1990.

    Moran, J.M. and Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 4th edition,

    JohnWiley & Sons, New York, 2000.

    Paryatmo, Wibowo. PEMBUATAN DIAGRAM HASIL ANALISIS GAS ASAP UNTUK

    EVALUASI KINERJA ALAT PEMBANGKIT UAP, Jurnal Teknik Universitas

    Pancasila, No. 6 / Vol.17 / December 2004.

    PT. Indonesia Power,Data Ultimate Analysis bahan bakar unit-3, Semarang Indonesia, 2005.

    Soekardi Chandrassa. 2001.Prediksi Karakteristik Termal Sebuah Penukar Kalor Dampak

    Pemilihan Faktor Pengotoran Yang Konstan, Jakarta, Volume 4 Nomor 2, April.

    Sulaiman. 2008. EFEKTIVITAS KONDENSOR PADA PLTU P. T. SEMEN TONASA

    PANGKEP, Majalah Ilmiah Al-Jibra, ISSN 1411-7797, Vol. 9, No. 28. April.

    Team Sekard. 2012. Sistem Refrigerasi. http://team-sekard.blogspot.com/2012/03/sistem-

    refrigerasi.html. Diakses pada tanggal 19 Maret 2013

    http://www.lindeus.com/internet.lg.lg.usa/en/images/Linde%20R290%20Refrigerant%20Grade%20Propane138_11493.pdfhttp://www.lindeus.com/internet.lg.lg.usa/en/images/Linde%20R290%20Refrigerant%20Grade%20Propane138_11493.pdfhttp://www.crayonpedia.org/mw/BAB_23_SIKLUS_KOMPRESI_UAP_SUNYOTOhttp://team-sekard.blogspot.com/2012/03/sistem-refrigerasi.htmlhttp://team-sekard.blogspot.com/2012/03/sistem-refrigerasi.htmlhttp://team-sekard.blogspot.com/2012/03/sistem-refrigerasi.htmlhttp://team-sekard.blogspot.com/2012/03/sistem-refrigerasi.htmlhttp://team-sekard.blogspot.com/2012/03/sistem-refrigerasi.htmlhttp://www.crayonpedia.org/mw/BAB_23_SIKLUS_KOMPRESI_UAP_SUNYOTOhttp://www.lindeus.com/internet.lg.lg.usa/en/images/Linde%20R290%20Refrigerant%20Grade%20Propane138_11493.pdfhttp://www.lindeus.com/internet.lg.lg.usa/en/images/Linde%20R290%20Refrigerant%20Grade%20Propane138_11493.pdf
  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    37/38

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia

    38/38

    Gambar 3. Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal