Makalah Termodinamika Iii
Makalah Termodinamika Iii
Makalah Termodinamika Iii
Oleh Kelompok 6
Andhika Prakasa Anom Putra 1706038336
Annisa Dyah Cahyarini 1706985672
Arifah Mefi Balushi 1706985685
Garindra Muhammad Maro 1606881121
Moenica Sari Dewi 1706985773
DAFTAR ISI..............................................................................................................................i
Part 6: Refrigeration..............................................................................................................27
DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................................31
i
Part 1: Rankine Cycle to Generate Electricity
Your new assignment is about Rankine cycle, an important cyclic process in the application
of electrical power generation. The following pictures are the only leads that you received
from your thermodynamics course instructor.
Having a good textbook on chemical engineering thermodynamics you are confident that you
will learn the fundamentals of the Rankine cycle. What you need to do are as follows:
a. Explain what happens to the working fluid as it moves along the cycle. Describe the
temperature, pressure, and phase(s) of each of the stream corresponding to figure (b)
above.
b. Using steam as your working fluid and the following data: saturated vapor enters the
turbine at 8.0 MPa, saturated liquid exits the condenser at 0.008 MPa, and the net
power generated by the cycle is 100 MW
1
h. What can one do to increase the efficiency of Rankine cycle? Explain.
Jawab:
(a) Pada siklus Rankine ideal, working fluid yang digunakan adalah air. Pada siklus
Rankine, air mengalami empat proses sesuai dengan gambar, yaitu:
I. Proses 1-2, air dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi, pada proses ini air
memasuki pompa pada fasa cair atau saturated liquid sehingga pompa tidak
membutuhkan input tenaga yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses
kompresi-isentropik karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan
entropi yang terjadi.
II. Proses 2-3, air bertekanan tinggi tersebut memasuki boiler untuk dipanaskan
secara isobarik (tekanan konstan). Sumber panas didapatkan dari luar berupa
pembakaran batubara, solar, atau reaksi nuklir. Di boiler, air mengalami
perubahan fasa dari saturated liquid, mejadi campuran liquid dan vapor, dan
berlanjut sampai menjadi superheated vapour.
III. Proses 3-4, selanjutnya air berfase superheated vapor masuk ke turbin dan
mengalami proses ekspansi secara isentropik. Energi yang tersimpan di dalam
uap air dikonversi menjadi energi gerak pada turbin. Pada proses ini terjadi
penurunan tekanan pada fluida dan terjadi perubahan fase pada air menjadi
saturated vapor.
IV. Proses 4-1, uap air (saturated vapor) yang keluar dari turbin masuk ke kondensor
dan mengalami kondensasi secara isobarik. Uap air diubah fasenya menjadi cair
(saturated liquid) kembali sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus.
(b)
2
Gambar 1. Skema berdasarkan data pada soal
(Moran, 2010)
(Moran, 2010)
Saat masuk ke turbin, tekanan dari saturated vapor adalah 8.0 MPa dari Table A-3,
h1 = 2758.0 kJ/kg and s1 = 5.7432 kJ/kg K
Pada keadaan 2 tekanannya = 0.008 MPa dengan isentropis maka specific entrophy
konstan. Pada Table A-3, kualitas nya :
s 1−s2 5.7432−0.5926
x 2= = =0.6745
s g−s f 8.2287−0.5926
3
Sehingga entalpi pada keadaan 2 yaitu
Keadaan 3 yaitu saturated liquid pada tekanan 0.008 MPa sehinga h3=173.88 kJ/kg
Dapat dilihat dari grafik, bahwa di keadaan 4 yaitu working fluid masuk ke dalam
Ẇ p
boiler setelah didapatkan kerja dari pompa dimana =h 4−h3 dan mengalami
ṁ
proses secara isentropik maka, s4 = s3 sehingga dapat menggunakan
( Ẇṁ ) ≈ υ ( p −p ) .
p
s
3 4 3
Ẇ p
Sehingga, h 4= + h3=¿ h3 +υ 3 ( p 4− p 3 )
ṁ
106 N
kJ m3
¿ 173.88 +1.0084 x 10−3 ( 8.0−0.008 ) MPa
kg kg
m2 1 kJ
1 MPa 103 Nm
| || |
¿ 173.88+8.06=181.94 kJ /kg
Persamaan efisiensi siklus Rankine adalah,
Ẇ t −Ẇ p ( h 1−h2 ) −(h 4−h 3) ( 2758.0−1794.8 ) −(181.94−173.88)
y= = =
Q̇¿ ( h1−h 4) (2758.0−181.94)
y=0.371=37.1 %
4
10 5 kg ( 1 1
(
¿ 3.77 x
h ) 2758.0−181.94 ) kJ /kg
| | |
3600
s 10 kW
=269.77 MW
3
h MW
10 5 kg ( 1 1
(
¿ 3.77 x
h ) | | |
1794.8−173.882 ) kJ /kg
3600
3
s 10 kW
=169.75 MW
h MW
(f) Berdasarkan steam table didapatkan nilai h cw ,∈¿=62.99 kJ / kg¿ dan h cw ,out =146.68 kJ /kg .
Neraca massa dan energi di sekitar kondensor dapat digambarkan dengan persamaan
dE dm
berikut, dengan asumsi sistem berjalan secara steady-state dimana =0 dan =0
dt dt
dan Ek dan Ep diabaikan. Lalu tidak ada kerja yang dilakukan pada kondensor, maka
dE
=−Q̇ out −W + ṁ( ∆ Ek + ∆ Ep+ ∆ h)
dt
Q̇out = ṁ(h2−h 3)
dE
=Q̇ cw −Ẇ cw + ṁ(∆ Ek+ ∆ Ep+∆ h)
dt
Q̇ cv =ṁcw ¿
Berdasarkan pernyataan pada soal suhu pada cooling water yang masuk lebih rendah
daripada suhu cooling water yang keluar dari kondensor. Kalor yang keluar dari
sistem pada siklus Rankine digunakan untuk meningkatkan suhu cooling water (cw)
dalam kondensor sehingga bentuk persamaannya menjadi,
Q̇ out =−Q̇ cw
ṁ ( h4 −h1 ) =ṁ cw ¿
5
Dengan menggunakan persamaan diatas, maka mass flow rate cooling water dapat
ditentukan.
ṁ(h2 −h3 )
ṁcw=
¿¿
Maka,
Q̇ out , actual=2162.2267 kJ /kg
6
kembali ke turbin intermediate pressure, selanjutnya tanpa mengalami reheater
lagi uap air yang keluar dari intermediate pressure turbine masuk ke low pressure
turbine.
Dari modifikasi ini dapat kita tambahkan dalam hitungan efisiensi termal siklus
energi panas masuk pada saat reheater (Qin,reheater) serta output kerja pada
turbin low pressure (WLPT,out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida
kerja adalah:
7
Penambahan penggunaan satu tahap reheat akan meningkatkan efisiensi
termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater menaikkan
efisiensi sebesar 1.5-2%, penambahan tiga tahap reheater menaikkan efisiensi
sebesar 0.75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya
dipergunakan satu tahap reheater saja.
8
Tipe yang kedua adalah tipe tertutup (Close Feed Water Heater), yang mana di
dalamnya terjadi perpindahan panas secara konduksi, uap air pada sisi shell dan
fluida kerja di sisi pipa. Tipe ini dapat digunakan apabila kedua media dalam
kondisi perbedaan tekanan yang besar, namun kelemahannya adalah harga yang
lebih mahal serta perpindahan panas yang lebih kecil karena kedua media tidak
bertemu secara langsung.
Sama dengan Open Feed Water Heater apabila 1 kg uap air masuk ke turbin,
dan y kg menjadi extraction steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke boiler, maka
kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 3. (a) Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater, (b) Siklus Rankine dengan Regenerative
Close Feed Water Heater, (c) Diagram T-S Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater dan d) Diagram
T-S Siklus Rankine dengan Regenerative Close Feed Water Heater
9
Sumber : http://artikel-teknologi.com.
Jawab:
(a) Skema siklus Rankine oleh Osaka Gas adalah sebagai berikut
10
Gambar 4: Siklus Rankine yang dicetuskan oleh Osaka Gas
(osakagas.co.jp)
Dalam pembuatan LNG, dibutuhkan sekitar 400 kWh kerja per ton. Kerja yang
dibutuhkan ini disebut energi kriogenis (cryogenic energy). Dari ini harga ini
diperikirakan sekitar 240 kWh dapat dipergunakan kembali, tetapi energi ini umumnya
terbuang sia-sia pada saat proses penguapan LNG untuk distribus melalui saluran pipa.
Salah satu cara untuk memulihkan energi kriogenis adalah dengan menggunakannya
untuk membangkitkan tenaga listrik.
Siklus Rankine Osaka Gas menggunakan dua jenis fluida: propana sebagai intermediate
heating medium dan Liquiefied Natural Gas (LNG) sebagai cairan pendingin propana.
LNG yang dialirkan dari tangki dipompa menuju penguap LNG yang juga berfungsi
sebagai kondenser. Akan terjadi perpindahan panas dari propana menuju LNG, sehingga
LNG berubah fase dari cair menjadi gas. NG yang telah menguap dialirkan menuju trim
heater untuk dipanaskan oleh air laut. Trim heating dilakukan untuk mencegah terjadinya
pengembunan NG. NG kemudian didistribusi ke saluran gas kota.
Propana yang telah dikondensasi mengalir melewati pompa sirkulasi IHM, lalu
dipanaskan pada penguap IHM dengan menggunakan air laut. Propana akan menguap
lalu mengalir ke turbin, dimana ia melakukan ekspansi dan kerja untuk membangkitkan
11
listrik. Tahap terakhir dari sirkulasi propana adalah kondensasi di dalam penukar panas
dengan LNG.
Perhatikan bahwa kalor yang masuk ke dalam sistem berasal dari air laut, yang suhunya
tidaklah mungkin melebihi suhu penguapan air (100 oC). Siklus Rankine pada umumnya
menggunakan perubahan fase air menjadi uap untuk menggerakan turbin. Kalor yang
masuk berasal dari pembakaran, sehingga menghasilkan temperatur yang relatif tinggi
pada boiler air. Karena propana yang digunakan dalam siklus ini memiliki suhu
penguapan yang rendah (-42oC), penguapan tidak memerlukan adanya pembakaran,
sehingga suhu keseluruhan sistem lebih rendah dibandingkan dengan siklus Rankine
yang menggunakan air.
(b) Dari informasi yang tersedia pada situs web Osaka Gas, diketahui bahwa suhu LNG di
dalam tangki adalah -162oC, tepat pada batas penguapan NG. Pompa LNG menaikkan
tekanan menjadi 3,5-4,5 MPa (demi kesederhanaan, kami akan mengambil angka yang
kedua). Seperti yang disebut sebelumnya, suhu penguapan propana adalah -42 oC. Kerja
yang keluar dari turbin dimisalkan sebesar 240 kWh, sementara kerja yang masuk ke
dalam pompa dimisalkan 5 kWh. Laju alir massa untuk LNG diasumsikan 1 ton/jam.
Dari buku Moran, energi yang masuk dan keluar dari siklus Rankine dapat dirumuskan
sebagai berikut:
Wt ˙
=h 1−h2
ṁ
12
Di mana W t adalah kerja yang dikeluarkan turbin, W p adalah kerja yang diterima pompa, ṁ
adalah laju alir massa, dan h adalah entalpi fluida pada masing-masing titik sesuai dengan
gambar diatas.
Kita asumsikan bahwa propana yang keluar dari IHM Vaporizer berupa uap murni dengan
suhu -40oC. Kita lambangkan propana dalam tahap ini 1. Dari data, diketahui bahwa h1 =
423.2 kJ/kg dengan tekanan 111.4 kPa. Propana yang telah melakukan ekspansi pada turbin
kita lambangkan dengan 2, dengan asumsi tekanan turun menjadi 13 kPa. Fraksi uap dari titik
2 dapat dihitung sebagai berikut:
s 2−s f 1.815−(−0.408)
x 2= = =0.9285
s g−s f 1.986−(−0.408)
240 kWh ˙
=( 423.2−324.3 ) kJ /kg
ṁ
864000 kJ /h
ṁ=
107.9 kJ /kg
ṁ=8007.4 kg/h
mC 3 C pC 3 ∆T =mLNG C pLNG ∆ T
13
Maka suhu LNG naik dari -160oC menjadi -157oC.
Propana kemudian dialirkan melalui pompa sirkulasi IHM. Titik ini disebut dengan titik 4.
Kerja yang digunakan oleh pompa relatif kecil dibandingkan dengan kerja yang dihasilkan
turbin, sehingga dapat diabaikan. Propana kemudian masuk ke dalam IHM vaporizer untuk
diuapkan. Suhu propana saat keluar dari vaporizer sama dengan pada titik 1, yaitu -40 oC.
Kalor diberikan oleh air laut dialirkan sebanyak 15000 ton per jam dengan suhu awal 16 oC,
sehingga dapat dirumuskan seperti berikut:
m C 3 C pC 3 ∆T =m H 2O C pH 2 O ∆ T
14
Part 3: What is the Second Law of Thermodynamics? (part a)
Hilda received an assignment from her thermodynamics course instructor who asked students
to derive the equation to calculate the efficiency of a Carnot Engine :
Could you also do Hilda’s assignment? 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 of the Carnot heat engine is higher than the typical efficiency value of an actual
heat engine (<0.4)?
Jawab:
Siklus dilalui oleh gas ideal yang berfungsi sebagai fluida kerja dalam mesin Carnot,
ditunjukkan oleh diagram PV pada Gambar 5.3. Siklus ini terdiri dari empat proses reversible
yaitu :
a b Kompresi adiabatik sampai suhu naik dari Tc menjadi TH.
b c Ekspansi isotermal ke titik sembarang c dengan penyerapan panas |QH|.
c d Ekspansi adiabatik hingga suhunya menurun menjadi Tc.
d a Kompresi isotermal ke keadaan awal dengan pelepasan panas |Qc|.
15
Untuk proses isothermal b c dan d a, dari persamaan
menghasilkan :
Vc Vd
¿ Q H ∨¿ R T H ln dan ¿ QC ∨¿ R T C ln
Vb Va
Sehingga,
¿ QH∨ ¿ ¿
V
T H ln c
Vb
¿ QC ∨¿= (5.6)¿
Vd
T C ln
Va
Persamaan untuk perhitungan gas ideal yang mengalami proses adiabatik adalah
dV
dQ=C v dT + RT
V
Karena adiabatic maka Q = 0 sehingga dihasilkan persamaan baru berikut ini
−C v dT dV
=
R T V
Untuk proses a b dan c d, persamaan integralnya adalah :
TH TH
C dT V C dT V
∫ Rv T =ln V a dan ∫ Rv T =ln V d
TC
b T C
c
Karena sisi kiri pada dua persamaan diatas besarnya sama, dihasilkan bentuk :
Va V
ln =ln d
Vb Vc
Persamaan 5.6 sekarang menjadi :
¿ QH∨ ¿ ¿
TH
¿ Q C ∨¿= ( 5.7)¿
TC
Perbandingan hasil ini terhadap Persamaan (5.5) menghasilkan hubungan fungsional paling
sederhana yang mungkin untuk ψ, yaitu, ψ (T) = T. Dapat disimpulkan bahwa skala suhu
kelvin, berdasarkan sifat-sifat gas ideal, sebenarnya merupakan skala termodinamika, tidak
tergantung pada karakteristik dari setiap zat tertentu. Substitusi persamaan (5.7) ke dalam
¿
persamaan η=1−¿ Q C ∨ ¿ Q ∨¿ ¿ ¿ menghasilkan:
H
η=¿ W ∨ ¿ ¿
T
¿ Q H ∨¿=1− C ¿
TH
16
Dalam Persamaan. (5.7) nilai terkecil yang mungkin dari |Qc| adalah nol; nilai Tc yang sesuai
adalah suhu nol mutlak pada skala kelvin. Ini terjadi pada (-273.1° C).
Efisiensi akan maksimum ketika seluruh proses siklik merupakan proses reversible. Ini
berarti total entropi dari system (entropi dari tungku panas, “working fluid”, dan cold sink)
tetap konstan ketika gas (working fluid) menyelesaikan satu siklus dan kembali ke keadaan
awalnya. (Dalam kasus umum, total entropi dari system gabungan ini akan meningkat dalam
proses ireversibel). Perubahan entropy dari “working fluid” bernilai 0. Oleh karena itu,
perubahan total entropy dari tungu dan sink adalah nol, sehingga prosesnya reversible dan
efisiensi dari mesin Carnot menjadi maximum.
Untuk actual heat engine, total proses termodinamika pada umumnya bersifat ireversibel.
“working fluid” dibawa kembali ke keadaan awalnya setelah satu siklus, dengan demikian
perubahan entropy system adalah 0, tetapi jumlah perubahan entropi dalam reservoir panas
dan dingin dalam satu proses siklus ini lebih besar dari 0. Oleh karena itu pada actual heat
engine terjadi perubahan entropi. Hal ini mengindikasi tidak ada mesin yang efisiensinya
lebih besar dari efisiensi mesin Carnot.
17
Part 4: What is the Second Law of Thermodynamics? (part b)
The Ranque-Hilcsh Vortex Tube is a device that receive a gas stream (say at 10 bar and 295
K) and divides it into two streams with equal mass flow rate and equal pressure of 1 bar.
There is no mechanical work and heat transfer involved in the operation of this device. Show
by using the first and the second law of thermodynamics, that maximum temperature
difference between the two outlet streams is 501 K. Hint: largest temperature difference can
be obtained only if gas expansion is a reversible process. Assume ideal gas behavior and use
Cp gas of 30 kJ/(kmol.K).
Jawab:
Diketahui : mc = mh
Tin = Tref = 295 K
Pin = 10 bar
Pout = 1 bar
Cp = 10 kJ/(kmol.K)
Th = hot water dan Tc = cold water
Tidak ada kerja mekanik dan perpindahan panas serta laju alir panas dan
dingin adalah sama.
Reversible process.
Hukum I Termodinamika.
Q=∆ U +W
Karena tidak ada kerja mekanik dan perpindahan panas pada alat persamaannya
menjadi :
∆ U =0 dimana ∆ H=∆ U +∆ PV
18
Entalpi dari gas ideal tidak bergantung pada tekanan sehingga pada gas ideal
∆ H =∆ U .
∆ H =0
∆ H =∆ H c +∆ H h=0
∆ H =mc C p ( T c −T i ) +mh C p ( T h −T i ) =0
m c C p T c −mc C p T i +mh C p T h−m h C p T i=0
mc C p T c +m h C p T h =mc C p T i+ mh C p T i
Hukum II Termodinamika.
Persamaan perubahan entropy pada gas ideal dengan panas specific konstan adalah :
Tc Pc Th Ph
( ) ( ) ( ) ( )
∆ S system =C p ln
Ti
−Rln
Pi
+ C p ln
Ti
−Rln
Pi
Tc Pc Th Ph
0=C p ln ( ) ( ) ( ) ( )
Ti
−Rln
Pi
+ C p ln
Ti
−Rln
Pi
19
kJ Tc kJ 1 kJ Th kJ 1
0=30
kmol . K
x ln ( )
295
−8.314
kmol . K
x ln ( )
10
+ 30
kmol . K
x ln ( )
295
−8.314
kmol . K
x ln( )
10
0=30 ln T c −30 ln295−( 8.314 x (−2.303 ) ) +30 ln T h−30 ln 295−( 8.314 x (−2.303 ))
30 ln(T ¿ ¿ c .T h)=302.931¿
ln (T ¿ ¿ c .T h )=10.098 ¿
(T ¿ ¿ c . T h)=e10.098 ¿
(T ¿ ¿ c . T h)=24287.195¿
x ( x + y )=24287.195
x ( x +(590−2 x) ) =24287.195
x ( 590−x )=24287.195
590 x−x 2=24287.195
x 2−590 x+ 24287.195=0
20
Part 5: Entropy Change in a Turbine and a Throttling Valve
Superheated steam at 40 bar and 360 ᴼC with mass flow rate of 11 kg/s is divided into two
streams. The first stream enters a 90% efficient steam turbine which produces 2,24 MW of
shaft work and the second stream enters a throttling valve. The streams exiting the valve and
the turbine mix in a mixing chamber and flows into a condenser where stream becomes
saturated liquid at 198,3 ᴼC. Determine: (a) the temperature of the stream leaving the mixing
chamber; (b) the mass flow rate through the valve, in kg/s; (c) locate the four numbered states
on an h-s (enthalpy-entropy) diagram. Neglect heat transfer with the ssurrounding, changes in
kinetic and potential energy, and pressure drop in mxing chamber and condenser.
Jawab:
ἠ = 90%
W = 2,24 MW
2 3
1 6 T7 = 198,3 ᴼC
p1 = 40 bar 7
T1 = 360 ᴼC
m/t = 11 kg/s 4 5
Ditanya:
(a) T 6 =
(b) ṁ 4 =
(c) Letak 1-6 pada diagram h-s
Asumsi:
Kerja pada turbin:
∂W
=h́2− h́3
∂ ṁ
Pada throttling valve:
h´4=h´5
Pada mixing chamber:
21
h´6 =h́3 + h´5
Air pada titik 7 hanya berisi air cair jenuh
x uap =0
Tidak ada variabel yang berubah terhadap waktu
2,24 MW adalah kerja yang dihasilkan oleh turbin berefisiensi isentropik 90%
Pada pemisah, nilai entalpi pada aliran 2 dan 4 sama dengan entalpi pada aliran 1
Tekanan dari pada aliran sebelum memasuki kondenser dan keluar kondenser sama
Tekanan pada aliran 2 dan 4 sama dengan tekanan pada aliran 1
Tekanan pada aliran 3 dan 5 sama dengan tekanan pada aliran 6
Sistem turbin:
∂W
=h́2− h́3
∂ ṁ
(2,24 MW adalah kerja yang dihasilkan ketika turbin memiliki efisiensi isentropis sebesar
90%)
2,24 MW
= h́2−h́3
ṁ 2
−2,24 MW
h́3 = + h́2
ṁ 2
22
ṁ 1 h́6=−2,24 MW + ṁ 2 h´2+ ṁ 4 h́4
Pada pemisah, diasumsikan bahwa h́1 =h́2=h´4
Pada titik 1 air berada dalam keadaan superheated steam dengan p1 = 40 bar & T1 = 360 ᴼC.
Dari tabel uap, didapatkan nilai
kJ
h1 =3117,2
kg
Maka:
kJ kg kJ
−2240 +11 3117,2
s s kg
h´6 =
kg
11
s
kJ
32049,2
s
h´6 =
kg
11
s
h´6 =2913,6 kJ /kg
(a) Pada titik 6, nilai entalpi aliran air adalah 2913,6 kJ /kg. Jika kondenser bekerja secara
isobarik dan aliran keluarannya adalah saturated liquid, nilai h7 = h6
Pada titik 7, saturated liquid berada pada suhu 198,3 ᴼC. Jika melihat pada tabel uap,
saturaed liquid berada pada tekanan 1,5 MPa. Berarti, aliran masuk (titik 6) memiliki
tekanan 1,5 MPa dan entalpi spesifik 2913,6 kJ/kg.
Aliran air pada titik 6 berada pada keadaan superheated steam dan di suhu 246 ᴼC.
ṁ 4 =ṁ 5
Meninjau sistem mixing chamber
h´6 =h́3 + h´5
23
ṁ 6 h́6= ṁ3 h́3 + ṁ 5 h́5
Untuk mendapatkan nilai h́3 dapat dilakukan tinjauan pada turbin dengan efisiensi
isentropisnya sebesar 90% dan tekanan yang keluar dari turbin (3) sama dengan tekanan
yang keluar dari mixing chamber (6) yaitu 1,5 MPa.
dW /d ṁ 2 h −h
η= = 2 3
(dW /d ṁ2) s h 2−h3 s
Nilai h´3 s adalah nilai entalpi ketika turbin bekerja secara isentropik. Berarti S2=S 3, di
mana nilai S2berdasarkan tabel uap pada tekanan 40 bar dan suhu 360 ᴼC adalah sekitar
6,6 kJ/(kg K). Nilai h3 s pada tekanan 1,5 MPa dan suhu 225 ᴼC adalah 2860 kJ/kg. Maka,
kJ
3117,2 −h
kg 3
0,9=
kJ kJ
3117,2 −2860
kg kg
h3 =2885,72 kJ /kg
24
kJ kJ kJ
(
ṁ 3 231,48
kg)=34289,2 −32049,6
s s
kJ
2239,6
s
ṁ 3=
kJ
231,48
kg
ṁ3=9,67 kg/ s
Laju aliran massa yang melewati sistem turbin adalah 9,67 kg/s. Maka laju aliran massa
yang melewati sistem valve adalah
ṁ 1=ṁ 2 + ṁ 4
kg kg
11 =9,67 + ṁ4
s s
ṁ 4 =1,33 kg/ s
Jadi, laju alir massa yang melewati sistem throttling valve adalah sebesar 1,33 kg/s
(c) Untuk memetakan titik 1 – 6 pada diagram entalpi-entropi kita perlu mencari tahu
variabel lain seperti temperatur, tekanan, dan entalpi.
Titik 1
p1 = 40 bar
T1 = 360 ᴼC
h1 = 3117,2 kg/s
superheated steam
Titik 2
p2 = 40 bar
T2 = 360 ᴼC
h2 = 3117,2 kg/s
superheated steam
Titik 3
p3 = 15 bar
h2 = 2885,72 kg/s
superheated steam
25
Titik 4
p4 = 40 bar
T4 = 360 ᴼC
h4 = 3117,2 kg/s
superheated steam
Titik 5
p5 = 15 bar
T5 = 336 ᴼC
h5 = 3117,2 kg/s
superheated steam
Titik 6
p6 = 15 bar
T6 = 198,3 ᴼC
h6 = 844,72 kg/s
saturated liquid dengan kualitas 0%
26
Titik 1
Titik 2
Titik 3
Titik 4
Titik 5
Titik 6
27
Part 6: Refrigeration
Air conditioner (AC) nowadays uses R-134a, the refrigerant replacing the not-so-
environmentally friendly R-12. An air conditioner with “AsalDinGin” brand having a
capacity of 1 PK has a cooling capacity of 9,000 BTU/h. estimate the mass flow rate of the
refrigerant and estimate the coefficient of performance of the AC. Write down all the
assumption that you use (try to be as close ad possible to the real life condition). If refrigerant
R-134a is replaced with one of the three following hydrocarbons: ethane, propane, and
butane; which one will you choose as the working fluid to replace R-134a? Explain your
reason from the thermodynamic point of view.
Jawab:
Diketahui :
Menggunakan refrigerant R-134a
Cooling capacity (Qin) = 9000 BTU/hr
Merupakan AC 1 PK
Asumsi :
Masing-masing komponen merupakan sistem control volume pada keadaan steady state
Energi potensial dan energi kinetik pada sistem diabaikan
Tidak ada pressure drop yang melewati evaporator dan compressor
Kompresor bekerja secara adiabatic dengan efisiensi isentropic sebesar 80%.
Saturated vapor memasuki compressor pada suhu (T4=T1) = -10C
Liquid yang keluar dari kondensor bersuhu (T3) = 30C.
Suhu pada luar ruangan (T0) = 26C.
28
Gambar 10: Sistem refrijerasi vapor-compression dan diagram T-s sistem refrijerasi
(Moran, 2010)
Dari diagram T-s dapat diketahui bahwa pada keadaan 1 merupakan saturated refrigerant
dengan fasa vapor dengan suhu -10C. Pada keadaan ini nilai entalpi refrigerant (h 1) dan
entropi (s1) dapat diketahui melalui intrapolasi pada data Tabel A-10 pada buku Moran.
Ta = -12C ha = 240,15 kJ/kg sa = 0,9267
−12−(−8) 240,15−242,54
=
−10−(−8) h1−242,54
−12−(−8) 0,9267−0,9239
=
−10−(−8) s 1−0,9239
h1 = 241,35 kJ/kg s1 = 0,9253 kJ/kg.K
Dari diagram T-s di atas dapat dilihat bahwa keadaan 1 dan 2 merupakan keadaan isentropic
dimana nilai s1 = s2s = 0,9253 kJ/kg.K. Pada entropi senilai 0,9253 kJ/kg.K memiliki nilai
entalpi sebesar h2 yangt diperoleh melalui interpolasi berikut :
sc = 0.9217 kJ/kg.K hc = 271,25 kJ/kg
sd = 0,9566 kJ/kg.K hd = 282,34 kJ/kg
s c −s b hc −h d
=
s 2 s−sb h2 s −hd
0,9217−0,9566 271,25−282,34
=
0,9253−0,9566 h 2 s−282,34
29
h2s = 272,39 kJ/kg
Nilai entalpi pada keadaan 2 (h2) dapat diperoleh dengan rumus efisiensi, yaitu :
h 2 s−h1
ηc =
h2−h1
272,39−241,35
0,8=
h2−241,35
h2 = 280,15 kJ/kg
Pada keadaan 3 merupakan keadaan dengan fasa liquid subcool yang mendekati saturated
liquid, maka nilai h3 hf = 91,49 kJ/kg dan s3 sf = 0,3396 kJ/kg.K. Ekspansi yang melalui
valve merupakan throttling process dimana h4 = h3.
Nilai cooling capacity (Qin) = 9000 BTU/hr = 2637,64 W yang dapat diperoleh dengan
menggunakan rumus :
Qin= ṁ( h1−h 4 )
Qin
ṁ=
( h1−h 4)
2,638 kJ /s
ṁ=
(241,35 kJ /kg−91,49 kJ /kg)
ṁ=0,0176 kg/ s
Koefisien performa dari AC tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut :
(h1 −h4 )
¿
( h2−h1 )
Sifat-sifat yang dipertimbangkan dalam memilih refrigeran adalah: sifat kimia, sifat fisik dan
sifat termodinamik. Berdasarkan sifat-sifat kimianya refrigeran yang baik adalah yang tidak
beracun, tidak bereaksi dengan komponen refrigerasi, dan tidak mudah terbakar, tidak
berpotensi menimbulkan pemanasan global (GWP rendah) dan tidak merusak lapisan ozon
(ODP rendah).
30
Berdasarkan sifat fisik dan termodinamiknya, refrigeran yang baik mampu menghasilkan
kapasitas refrigerasi per satuan daya kompresi yang tinggi. Sifat-sifat fisik dan termodinamik
refrigeran yang mempengaruhi daya kompresi dan kapasitas refrigerasi, yaitu tekanan
penguapan, tekanan pengenmbunan, kalor laten penguapan, volume spesifik, konduktivitas
termal, dan viskositas refrigerant.
Senyawa etana, propana, maupun butana merupakan senyawa organik yang bersifat tidak
beracun dan ramah terhadap lingkungan. Meskipun begitu, hidrokarbon memiliki sifat yang
mudah terbakar sehingga perlu dipertimbangkan dalam penggunaannya menjadi zat
refrigeran.
Untuk refrigerant pengganti R-134a pada AC, suhu antara refrigeran dan media yang
didinginkan harus dijaga perbedaannya agar tidak terlampau jauh. Dalam penggunaan AC,
biasanya suhu media yang didinginkan dijaga pada 25C. Refrigeran pada suhu 25C harus
memiliki tekanan jenuh yang lebih besar dari tekanan atmosfir. Tekanan terendah pada siklus
refrigerasi terjadi di evaporator dan tekanan di refrigeran 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 25C.
Pada suhu 25C, refrigerant R-134a memiliki tekanan sebesar 0,666 MPa, propana sebesar
0,956 MPa, butane sebesar 0,247 MPa, dan etana sebesar 4,189 MPa. Dari data-data tersebut,
dapat dilihat bahwa refrigeran yang tekanannya mendekati tekanan R-134a pada suhu 25C
adalah propana. Selain itu, keunggulan propana dibanding pilihan refrigeran lainnya adalah
jika dilihat dari potensi zat untuk menimbulkan pemanasan global pada Tabel 10.1 buku
Moran edisi ketujuh, propana merupakan zat yang lebih sedikit potensi menyebabkan
pemanasan global. Selain itu, propane memiliki kalor laten penguapan yang besar dan
volume spesifik fasa uap yang kecil. Hal ini membuat sistem dengan kapasitas refrigerasi
yang sama akan memiliki laju massa refrigeran yang lebih kecil. Dengan demikian untuk
kapasitas refrigerasi yang sama diperlukan ukuran unit refrigerasi yang lebih kecil.
31
DAFTAR PUSTAKA
32