Makalah Termodinamika Pemicu 3
-
Upload
muhammad-ikhlas-ibrahimsyah -
Category
Documents
-
view
142 -
download
27
description
Transcript of Makalah Termodinamika Pemicu 3
TERMODINAMIKA
MAKALAH PEMICU 3
PROSES-PROSES SIKLIK
Chandra Dewi Rosalina 1306405710
Elsa Ramayeni 1406643072
Muhammad Radinal S. 1406643103
R. Muhammad Fathi 1306449290
Sergie 1306392903
Kelompok 8
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Depok, 2015
| 2
PROSES-PROSES SIKLIK
1. Anda baru bekerja di perusahaan konsultan. Pekerjaan pertama yang dilakukan adalah
menyelidiki kelayakan penggunaan tenaga panas Bumi. Di suatu daerah pegunungan tersedia
sumber uap panas bertekanan rendah yang sangat berlimpah sehingga berpotensi
menghasilkan energi listrik beberapa ratus MW bila dapat dibuat alat yang tepat. Diusulkan
untuk menggunakan siklus power plant dengan menggunakan working fluid berupa
tetrafluroethane (HFC-134a) dengan rute seperti pada gambar di bawah ini. Di sekitar lokasi
juga tersedia air dingin dalam jumlah berlimpah (ingat ini di pegunungan). HFC-134a cair
jenuh keluar kondesor pada suhu 21oC dipompa hingga mencapai tekanan 400 psia lalu
dialirkan ke boiler dan keluar sebagai superheated vapor. Uap HFC-134a kemudian
diekspansikan pada turbin. Sebagai pilot-plant akan dibuat sebuah power plant dengan
kapasitas 2 MW (output bersih, dikurangi daya untuk pompa). Efisiensi turbin adalah sebesar
85% dibanding proses isentropis dan efisiensi pompa adalah 90%.
a. Berapakah tekanan keluar turbin yang saudara rekomendasikan?
b. Tentukanlah jumlah working fluid yang disirkulasikan per jam.
c. Tentukanlah kebutuhan daya untuk pemompaan.
3
Kondenser
Boiler
Turbin Pompa
1
Win
2
Qin
4
Wout
cair jenuh, 21 oC
400 psia, 220 oF
Qout
| 3
d. Cukup layakkah ide ini untuk dilaksanakan dan juga rekomendasi untuk perbaikan sistem
ini.
Untuk Penyederhanaan, abaikan pressure drop di boiler dan di kondenser.
Jawaban:
a. Berapakah tekanan keluar turbin yang saudara rekomendasikan?
Grafik temperatur vs entropi (grafik T-s) dari siklus rankine dari sistem yang kita miliki
Gambar 1. Ilustrasi grafik T-s dari siklus rankine sistem pada soal
Dari grafik T-s di atas, dapat kita lihat bahwa dalam siklus yang kita miliki terdapat dua
buah garis isobarik dan dua buah garis isentropis, yaitu:
1. Garis 1–2 merupakan proses isentropis pada pompa.
2. Garis 2–3 merupakan proses isobarik pada boiler.
3. Garis 3–4 merupakan proses isentropis pada turbin.
4. Garis 4–1 merupakan proses isobarik pada kondensor.
Dari keterangan diatas, proses 4 –1 merupakan suatu proses isobarik dimana tekanan pada
titik 4 dan titik 1 adalah sama, maka dapat kita simpulkan bahwa tekanan dari working fluid
s
| 4
pada titik 4 (sebelum masuk kondensor) adalah sama dengan tekanan working fluid pada titik
1 (setelah keluar kondensor). Yang membedakan antara keduanya adalah kualitasnya.
Diketahui bahwa pada titik satu, working fluid memiliki kondisi berupa: saturated liquid
dengan temperatur 21 oC. Untuk mengetahui tekanan pada kondisi tersebut, kita dapat melihat
tabel saturated dari HFC-134a yang terdapat pada lampiran tabel A-10 dari buku
Fundamentals of Engineering Thermodynamics Edisi 7 Moran-Saphiro. Dari tabel A-10 kita
dapatkan:
Temperatur (oC) Tekanan (bar)
20 5,716
21 P1
24 6,4566
21 − 20
24 − 20=
P1 − 5,716
6,4566 − 5,716
P1 = 0,25 × 0,7406 + 5,716
P1 = 5,9012 bar
Sehingga didapatkan tekanan pada titik 1 adalah 5,9012 bar dimana tekanan di titik 1 sama
dengan tekanan di titik 4 sehingga
P4 = P1 = 5,9012 bar
P4 = 5,9012 bar = 𝟖𝟓,𝟓𝟖𝟗 𝐩𝐬𝐢𝐚
b. Tentukanlah jumlah working fluid yang disirkulasikan per jam.
Dari soal yang diberikan, kita diminta untuk mencari tahu laju alir massa ataupun
laju alir volum dari HFC-134a yang kita gunakan pada sistem. Diasumsikan yaitu laju alir
massa.
Kita dapat menghitung laju massa melalui neraca energi dari sistem yang kita
miliki, oleh karenanya hal pertama yang harus kita lakukan adalah mendefinisikan neraca
energi dari sistem yang kita miliki. Neraca energi dari sistem yang kita miliki adalah:
| 5
∆Q + ∆W + (m2 × u2) − m1 × u1 + mout h1 + Ep1 + Ek1 − min h2 + Ep2 + Ek2 = 0
Asumsi :
- Steady state sehingga massa masuk = massa keluar
- Energi potensial dan energi kinetik diabaikan sehingga EK dan EP = 0
Maka neraca energi dari sistem yang kita miliki akan menjadi:
∆Q + ∆W + (m2 × u2) − m1 × u1 + mout h1 + Ep1 + Ek1 − min h2 + Ep2 + Ek2 = 0
∆Q + ∆W + m × ∆h = 0
Qout − Qin + (Wout − Win ) + m × hout − hin = 0
Qout − Qin + Wout − Win = m × hin − hout … (𝟏)
Karena sistem yang kita miliki merupakan sistem siklus, maka aliran pada komponen
manapun akan representatif terhadap jumlah aliran feed yang dimasukkan ke dalam
sistem. Sehingga, untuk menjawab soal ini kita hanya perlu meninjau aliran pada salah
satu komponen saja.
Tinjau aliran pada turbin
Diketahui bahwa efisiensi turbin adalah sebesar 85%. Pada turbin, yaitu proses 3–
4 merupakan proses isentropis sehingga dapat kita katakan bahwa S3 adalah sama dengan
S4. Pada titik 3, HFC-134a berada pada fase superheated steam karena pada saat 400 psia
temperature jenuh liquid sebesar 179,95oF. Pada tekanan 400 psia dan temperatur 220
oF.
Beracuan pada tabel superheated steam HFC-134a yang diambil dari sumber internet
(http://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_r134a.php5) didapatkan bahwa:
| 6
Dari tabel di atas dapat kita ketahui bahwa entropi pada kondisi titik 3 adalah sebesar 1,778
kJ/Kg.K karena s3 = s4 maka entropi pada titik 4 juga sebesar 1,778 kJ/kg.K.
Pada titik keempat, tekanan di titik 4 sama dengan nilai tekanan di titik 1 sehingga pada
titik 4 mempunyai tekanan sebesar 85,859 psia dan entropi sebesar 1,778 kJ/kg.K. Kemudian,
untuk menentukan fraksi dan fase pada keadaan tersebut, menggunakan data dari internet
untuk melihat entropi jenuh uap pada tekanan 85,859 psia.
Mencari nilai fraksi uap dari refrigerant pada saat 85,859 psia:
S4= 1,778 kJ/kg K Sv = 1,71 kJ/kg.K
SL = 1,10 kJ/kg.K
Dimana untuk mencari fraksi uap yaitu:
X = S4−SL
Sg−SL =
1,778−1,10
1,71−1,1 = 1,1
Dari fraksi uap yang didapat diketahui bahwa fasanya masih dalam fasa uap
Didapatkan bahwa entropi jenuh uap pada tekanan 85,859 psia adalah sebesar 1.1012 kJ/Kg
K. Oleh karena itu:
s4s > svap −saturated
Karena entropi isentropis yang kita miliki untuk titik 4 lebih besar dari entropi uap jenuh,
maka dapat kita simpulkan bahwa fase HFC-134a pada titik 4 masih pada fase superheated.
Selanjutnya diketahui bahwa entalpi pada titik 3 ( 400 psia dan 220oF) yaitu sebesar 463,844
kJ/kg dari entalpi dititik ketiga kita dapat mencari entalpi isentropic pada titik 4 (h4s) dimana
S4 = S3 = 1,778 kJ/kg.K . Sehingga kita dapat mencari h4s pada tekanan 85,859 psia dengan
mencari suhunya terlebih dahulu
Suhu (oF) Entropi (kJ/kg.K)
100 1,776
110 1,791
| 7
Dengan melakukan interpolasi untuk mendapatkan entropi sebesar 1,778 kJ/kg
x − 100
110 − 100=
1,778 − 1,776
1,791 − 1,776
Didapatkan bahwa suhunya yaitu 100,64 oF
Sehingga entalpi spesifik (H4s) pada 85,859 psia dan 100,64 oF yaitu H4s = 427,59 kJ/kg
Tinjau Bagian Pompa
Selanjutnya diketahui entalpi spesifik pada titik 1 yaitu 228,9 kJ/kg dari entalpi
dititik ketiga kita dapat mencari entalpi isentropic pada titik 2 (h2s). Dengan menggunakan
persamaan
v1 P2 − P1 = h2s − h1
1 m3
1221,58 kgx 2757902,69 − 591976,91 Pa = h2s − 228,9 kJ/kg
𝐡𝟐𝐬 = 1,773 kJ/kg + 228,9 kJ/kg = 230,67 kJ/kg
Untuk menghitung laju alir massa dapat digunakan rumus
m = Wsiklus
h3−h4 − h1−h2
Dimana
h3 – h4 = turbin x ( h3 – h4s) dan h1 – h2 = 1
pompa x ( h1 – h2s)
Sehingga persamaan menjadi
m = Wsiklus
turbin x h3 – h4s −1
pompa x h1 – h2s
= 2000000
J
s×
1 kJ
1000 Jx
3600 s
1 jam
0,85 x 463,844kJ
kg− 427,59
kJ
kg −
1
0,9 x (228,9
kJ
kg−230,67
kJ
kg)
= 219628,92 kg/hr
Sehingga working fluid yang disirkulasikan yaitu 219628,92 kg/hr
| 8
c. Tentukanlah kebutuhan daya untuk pemompaan.
ƞpompa = h2s − h1
h2 − h1
0,9 = 230,67 − 228,9
ℎ2 − 228,9
H2 = 230,86 kJ/kg
Mencari kerja nyata :
W pompa
m= h2 − h1 = 230,86
kJ
kg− 228,9 kJ/kg = 1,96 kJ/kg
Sehingga Daya Pompa Nyata
P = 1,96kJ
kgx
219628,92 kg
hrx
1 hr
3600 s= 119,57 kW = 𝟎,𝟏𝟏𝟗 𝐌𝐖
d. Cukup layakkah ide ini untuk dilaksanakan dan juga rekomendasi untuk perbaikan sistem
ini.
Cukup layak, karena jika kualitas campuran yang melalui turbin sangat rendah akan
berpengaruh pada butir cairan pada sudut turbin yang akan mengakibatkan pengikisan dan
penurunan effisiensi turbin. Dengan adanya pemanasan lanjut, memungkinkan kondisi pada
keluaran turbin dapat mencapai uap panas lanjut sehingga menghilangkan tendesi masalah
kualitas uap yang rendah pada bagian keluar turbin.
Selain itu, untuk semakin menyempurnakan sistem atau dengan kata lain meningkatkan
lagi efisiensi dari tiap komponen dalam sistem, kita dapat melakukan beberapa hal berikut:
Pemanasan Lanjut
Dalam siklus ini, pemanasan dilakukan sampai mencapai keadaan superheated
dengan sistem siklus rankine yang sederhana. Untuk lebih mengerti lebih lanjut maka
dapat dilihat pada gambar sistem siklus rankine dibawah ini.
| 9
Pemanasan ulang
Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari
boiler pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler
dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua yang bertekanan lebih rendah.
Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi
yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin.
Sistem regenerasi
Konsep siklus ini menyerupai konsep siklus dengan pemanasan ulang. Yang
membedakan adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan
bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi
dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperature. Hal ini akan
mengefisiensikan pemanasan primer.
| 10
2. Suatu mesin standard otto berbahan bakar premium (anggap saja iso oktana) mempunyai
perbandingan kompresi 10,3 digunakan untuk menggerakkan sebuah kendaraan bermotor
roda 2. Pada kecepatan 70 km/jam dengan jalan lurus dan rata mesin mengeluarkan daya
actual sekitar 3 hp. Panas pembakaran bensin diperkirakan 11,4 kkal/g dan density bahan
bakar adalah 0,703g/cm3. Bila efisiensi termal kendaraan 60% dari efisiensi termal mesin otto
ideal, perkirakanlah jarak tempuh maksimum untuk setiap 1 liter bahan bakar. Tulislah asumsi
saudara. Berilah komentar potensi penurunan effisiensi bahan bakar dalam kondisi riil di
jalanan.
Jawab :
Diketahui :
r = 10,3
v = 70 km / jam = 19,44 m/s
Waktual = 3hp = 2,237 kJ/s
Qpembakaran = Q23 = 11,4 kkal/g = 47690 kJ/kg
ρ = 0,703 g/ cm3 = 703 kg / m
3
ηkendaran = 0,6 ηotto
Asumsi :
Sistem merupakan rangkaian tertutup
Proses kompresi dan ekspansi adalah adiabatic
Semua proses adalah reversible internal
| 11
Udara dimodelkan sebagai gas ideal
Energi kinetik dan potensial yang terjadi diabaikan
Volume bahan bakar dalam tangki bahan bakar adalah 1 L
Nilai k = 1,4
Jawab :
Gambar 2. Penggambaran Siklus Otto dalam Diagram P-V dan T-S.
Mencari nilai massa input dari BBM, dengan asumsi bahwa volume tangki bahan bakar berisi 1
L bensin:
m = ρ x V
m = 703 kg / m3 x 10−3 m3
m = 0,703 kg
| 12
Mencari nilai ηotto dengan menggunakan rumus efisiensi (asumsi k = 1,4) :
η = 1 − 1
rk−1
η = 1 − 1
10,31,4−1
η = 0,606
Dari nilai ηotto yang didapat, kemudian mencari ηkendaraan dengan menggunakan hubungan:
ηkendaraan = 0,6 ηotto = 0,6 × 0,606
ηkendaraan = 0,3636
Kemudian mencari nilai Q41 proses dengan menggunakan rumus:
ηkendaraan = 1 − Q41 /m
Q23/m
0,3636 = 1 − Q41 /m
47690kJ
kg
Q41
m= 30349,92 kJ/kg
Mencari nilai Wnet yang dibutuhkan
Wnet =Wsiklus
m=
Q23
m−
Q41
m
Wnet = 47690 kJ/kg – 30349,92 kJ/kg
Wnet = 17340,04 kJ/kg
| 13
Wsiklus = 17340,04 kJ/kg × 0,703 kg
= 12190, 05 kJ
Dari kedua nilai massa yang didapat kemudian dibagi untuk mencari nilai waktu yang
dibutuhkan untuk menghabiskan 1 L bahan bakar.
t = Wsiklus
Waktual
t =12190,05 kJ
2,237kJ/s
t = 5449,28 s
Untuk mencari jarak yang dapat ditempuh dari 1 L bensin adalah
s = v x t
s = 19,44 ms × 5449,28 s
s = 105934 m = 105,93 km
Pada kondisi nyata, penurunan efisiensi kendaraan sangat mungkin terjadi. Ada banyak
faktor yang dapat menyebabkannya, seperti pengereman, penambahan kecepatan, ataupun
kerusakan yang terjadi pada mesin. Oleh karena itu, kemungkinan terjadinya kondisi ideal seperti
diatas sangat kecil, bahkan hamper tidak mungkin terjadi.
| 14
3. Untuk mempertahankan suatu proses pada suhu 20oC digunakan pendingin chilled water yang
diproduksi dengan proses pada skema di bawah. Beban pendinginan proses 20.000 BTU/jam.
Sistem menghasilkan chilled water pada suhu 8oC dan keluar alat penukar panas pada 17
oC
untuk direcycle dan dicampur dengan make up water (suhu 25oC). Spray chamber
dipertahankan vakum dengan sebuah pompa vakum yang menekan uap yang dihasilkan
menjadi 1,05 atm.
a) Berapakah tekanan maksimum spray chamber agar diperoleh suhu chilled water yang
diinginkan ?
b) Berapakah jumlah chilled water yang diperlukan ?
c) Berapakah jumlah air yang menguap dalam spray chamber ?
d) Berapakah daya pompa vakum bila pompa memiliki efisiensi 80% dibanding proses
isentropis ?
e) Berilah komentar singkat kelayakan proses di atas dan kendala apa yang mungkin muncul
?
Jawab:
8o
C
17o
C
Make-up
Water, 25o
C
Steam pada 1,05 atm
1
2 3
4
6
Proses
8o
C
5
| 15
a) Nilai tekanan maksimum spray chamber dapat kita cari menggunakan tabel, Tekanan
maksimum pada saturated water kondisi 8oC adalah 𝒑 = 𝟏.𝟎𝟕𝟐 𝒌𝑷𝒂
b)
Q out
m = h2 − h3
m =Q out
h2 − h3
W cm
= h2 − h1
Q out = 20.000BTU
hr= 21.101
KJ
hr
dari tabel saturated water pada 8oC, h1 = 33,6kJ
kg
8oC 17
oC
Q
| 16
dari tabel saturated water pada 17°C, h3 = 71,38KJ
kg
Melalui asumsi, didapat nilai dari h2 =W c
m − h1 ; h2 ≈ h1
Maka,
m =21.101
kJ
hr
33,6kJ
kg−
71,38 kJ
kg
= −558,523kg
hr
Karena laju alir massa tidak boleh negatif, maka
m = 𝟓𝟓𝟖,𝟓𝟐𝟑𝐤𝐠
𝐡𝐫
c)
Dapat dilihat dari volume control, maka neraca energinya menjadi :
m 3h3 + m 4h4 = m 5h5 + m 1h1
m 3 = m 1 dan m 4 = m 5
m 3 h3 − h1 = m 5(h5 − h4)
1
5
3
4
| 17
6
m 5 =m 3 h3 − h1
(h5 − h4)
Dari tabel saturated water pada 25oC, h4 = 104,89
kJ
kg
Dari tabel saturated vapor pada 8oC, h5 = 2482,5
kJ
kg
Sehingga:
m 5 =558,523
kg
hr 71,38
kJ
kg− 33,6
kJ
kg
(2482,5kJ
kg− 104,89
kJ
kg)
𝐦 𝟓 = 𝟖,𝟖𝟕𝟒𝐤𝐠
𝐡𝐫
d)
Diketahui dari soal bahwa proses berlangsung secara isentropis, maka s6 = s5
5
| 18
Dari tabel entropi saturated vapor pada 8oC = 8,9501
kJ
kgK , p = 0.01072 bar
Entalpi saat 0.01072 bar h6s = 3600kJ
kg
η =Wisentropis
Waktual= 80%
Waktual =Wisentropis
η=
h6s − h5
0,8=
3600kJ
kg− 2482,5
kJ
kg
0.8
𝐖𝐚𝐤𝐭𝐮𝐚𝐥 = 𝟏𝟑𝟗𝟔,𝟖𝟕𝟓𝐤𝐉
𝐤𝐠
e) Kelayakan proses diatas sudah dinyatakan dengan efisiensi siklus. Sistem bertindak
sebagai refrigerator dan diasumsikan tidak ada kerja dari pompa sentrifugal, sehingga
COPR =QL
W
QL = QH − W
dengan QL merupakan kalor yang dilepas ke lingkungan, dan QH adalah kalor yang masuk ke
dalam sistem.
W dianggap kerja dari pompa vakum saja pada jawaban (d) dikalikan massa uap air yang
dipindahkannya, yaitu
1396,875 kJ/kg × 8,874 kg/h = 3,44 kW
dengan QH adalah kalor yang masuk ke dalam sistem yaitu 20000 BTU/h = 5,86 kW,
sehingga nilai QL bisa didapatkan:
QL = 5,86 kW – 3,44 kW = 2,417 kW
| 19
Maka,
COPR =QL
W=
2,417 kW
3,44= 0,7025 = 𝟕𝟎,𝟐𝟓%
Nilai tersebut menggambarkan keefektifan sistem dalam memindahkan kalor dari proses agar
konstan 20oC ke lingkungan. Dengan nilai keefektifan sebesar itu, proses yang terdapat di
dalam soal ini dapat dikategorikan sebagai sistem yang layak.
KESIMPULAN
Siklus Renkin merupakan siklus tenaga uap yang dapat mengubah panas menjadi kerja
dan biasa digunakan untuk menggambarkan proses operasi steam dari sebuah pembangkit
listrik.
Pada siklus Renkin, terdapat proses kompresi isentropik, penambahan panas isobarik,
ekspansi isentropik, dan pelepasan panas isobarik.
Dalam siklus Renkin, umumnya terjadi proses evaporasi (penguapan) hingga kondisi
superheated vapor dan kondensasi keseluruhan hingga menghasilkan saturated liquid
yang bekerja dalam sistem.
Siklus Refrigerasi adalah siklus yang mengkondisikan temperatur ruangan agar tetap
berada di bawah temperatur ruangan. Siklus ini juga sering disebut sebagai siklus
pendinginan.
Esensi dari siklus refrigerasi ini adalah pemindahan kalor / panas dari ruangan temperatur
rendah ke ruangan temperatur tinggi. Agar proses pemindahan panas ini terjadi, perlu
adanya kompensasi / pengorbanan energi dari luar (menurut Hukum II Thermodinamika).
Energi ekstemal tersebut dipasok oleh kompressor.
Siklus Otto adalah suatu siklus ideal yang mengasumsikan penambahan panas secara
konstan saat posisi piston berada pada titik maksimalnya.
| 20
DAFTAR PUSTAKA
ASME Steam Tables Compact Edition, Properties of Saturated and Superheated Steam in
U.S. Customary and SI Units from the International Standard for Indsutrial Use.
Borgnakke, C. dan Sonntag, R.E. (2009) Fundamentals of Thermodynamics, 7th Edition.
NJ : John Wiley & Sons, Inc.
Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2002. Thermodynamics an Engineering Approach. Fourth Ed.
Mc. Graw-Hill
Maron, H. Samuel and Jerome B. Lando. 1974. Fundamentals of Physical Chemistry.
New York : Macmillan Publishing.
Moran, J. Michael, Shapiro N. Howard. 2006. Fundamentals of Engineering
Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.
Smith, J.M. ; H.C. Van Ness and MM. Abbot. 2005. Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics 7th edition. New York : McGraw-Hill
Wark, Knneth. 1983. Thermodynamics. United States : McGraw- Hill, Inc.