4. produksi kerja dari panasnya bahan melalui perubahan
TRANSCRIPT
4. Produksi Kerja dari Panasnya Bahan Melalui Perubahan
Kondisi Termodinamika
TK2901-01: Termodinamika Proses
Kelas Rekayasa Paska Panen
Prof. Yazid Bindar
Dr. Megawati Zunita
Teknik Kimia, FTI, ITB
4.1. Siklus fluida cair-uap-cair sebagai konversi energi panas menjadi energi kerja sebagai Siklus Rankine
i. Energi panas dihasilkan oleh sistem penghasil energi panas seperti sistem pembakaran bahan bakar dalam ruang bakar
ii. Energi panas dengan laju αΆππ» ini digunakan untuk merubah fluida cair bertekanan tinggi temperatur rendah dalam alat Boiler sebagai keadaan 1 menjadi fluida uap tekanan tinggi temperatur tinggi sebagai keadaan 2
iii. Fluida uap tekanan tinggi temperatur tinggi ini keadaan 2 dilewatkan ke dalam sistem penghasil kerja berupa alat Turbin yang menghasillkan gerakan putar poros dengan laju sebesar αΆπππ sehingga fluida uap ini mengalami penurunan tekanan dan penurunan temperatur sebagai fluida uap keadaan 3 dengan tekanan rendah dan temperatur lebih rendah
iv. Fluida uap tekanan rendah dan temperatur lebih rendah keadaan 3 ini diubah menjadi fluida cair pada tekanan rendah dan temperatur rendah dalam alat Kondensor sebagai keadaan 4 dengan cara mengambil panas dari fluida uap ini dengan laju sebanyak αΆππΆ
v. Fluida cair tekanan rendah dan temperatur rendah dinaikkan tekanannya ke tekanan tinggi untuk mengembalikan fluida ini ke keadaan 1 di atas dengan cara pemasukan kerja lewat alat pompa sebagai pemasok kerja sebesar αΆπππ .
vi. Siklus produksi energi kerja dari energi panas dilakukan oleh fluida yang disikluskan perubahan keadaannya dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan pamasokan panas αΆππ» , keadaan 2 ke keadaan 3 sebagai penghasil kerja αΆπππ, keadaan 3 ke keadaan 4 sebagai pengambil panas αΆππΆ t dan keadaan 4 ke keadaan 1 kembali sebagai pemasok kerja sebesar αΆπππ
vii. Siklus ini dikenal sebagai siklus Rankine
viii. Diagram proses siklus fluida cair-uap-cair untuk produksi kerja dari energi panas ini diberikan pada Gambar 4.1
Gambar 4.1 Diagram proses siklus fluida cair-uap-cair untuk produksi kerja dari energi panas
αΆπππ
αΆπππ
4.1.1 Kuantifikasi dan analisa panas dan kerja dari siklus fluida cair-uap-cair dalam diagram P(tekanan) dan h (entalpi)
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
4
1
3h1
2
Turbin
60 oC
Boiler
Kondensor
Pompa
αΆππ»
αΆππΆ
αΆπππ
αΆπππ
h4 h2h3
i. Laju alir massa fluida dalam siklus adalah αΆπ
ii. Laju panas yang dipasok oleh Boilerke fluida dengan perubahan dari keadan 1 ke keadaan 2 dalam siklus adalah
αΆππ» = αΆπ β2 β β1 , αΆππ» > 0
iii. Laju kerja dalam proses perubahan yang terjadi dari keadaan 2 ke keadaan 3 dalam Turbin
αΆπππ = αΆπ β3 β β2 , αΆπππ < 0
iv. Laju panas dalam proses perubahan dari keadaan 3 ke keadaan 4 pada Kondensor adalah
αΆππΆ = αΆπ β4 β β3 , αΆππΆ < 0
Laju panas sebesar αΆππΆ biasanya
dibuang ke lingkungan tanpa
dimanfaatkan lagi
4.1.1 Kuantifikasi dan analisa panas dan kerja dari siklus fluida cair-uap-cair dalam diagram P(tekanan) dan h (entalpi)
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
4
1
3h1
2
Turbin
60 oC
Boiler
Kondensor
Pompa
αΆππ»
αΆππΆ
αΆπππ
αΆπππ
h4 h2h3
v. Laju kerja dalam proses perubahan dari keadaan 4 ke keadaan 1 pada Pompa adalah
αΆπππ = αΆπ β1 β β4 , αΆπππ > 0
vi. Laju panas total dalam siklus sebagai
αΆππ = αΆππ» + αΆππΆ , αΆππ > 0
vii. Laju kerja total dalam siklus (terproduksi) adalah
αΆππ = αΆπππ + αΆπππ, αΆππ < 0
viii. Efisiensi siklus konversi panas menjadi kerja dinyatakan sebagai efisiensi termal atau efisiensi siklus rankine yang diperoleh dari persamaan berikut,
%ππ =β αΆππ
αΆππ»π₯100 %
Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
Uap air pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC sebagai keadaan 2 dengan laju alir 180 ton/jam digunakan untuk memproduksi kerja dalam sebuah turbin dengan tekanan uap keluar turbin adalah 2 kPa dan temperatur 100 oC sebagai keadaan 3.
Uap keluar turbin dikondensasi pada tekanan 2 kPa dalam sebuah kondensor ke kondisi cairan jenuh sebagai keadaan 4.
Cairan jenuh pada tekanan 2 kPadipompa ke tekanan 8600 kPa secara proses irreversibel dimana entropi air keluar pompa mengalami kenaikan ke nilai 1 kJ/(kg K) sebagai keadaan 1
Cairan keluar pompa pada tekanan 8600 kPa dan entropy 1 kJ/(kg K) diuapkan dalam sebuah Boiler menjadi uap dengan kondisi kembali ke tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC sebagai keadaan 2.
Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
a) Gambarkan posisi uap air pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC dalam P-h diagram
b) Tentukan wujud uap air pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC
c) Tentukan besarnya entalpi dan entropi uap air pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC
d) Gambarkan posisi kondisi uap keluar turbin pada tekanan adalah 2 kPa dan temperatur 100 oC.
e) Tentukan wujud uap air, entalpi dan entropi uap air keluar turbin dengan tekanan 2 kPa dan temperatur 100 oC, dalam sebuah kondensor ke kondisi cairan jenuh.
f) Gambarkan posisi air jenuh pada tekanan 2 kPa pada P-h diagram dan tentukan nilai entalpi dan entropi nya.
g) Tentukan temperatur pengkondensasian uap ke air ke wujud cair jenuh pada tekanan 2 kPa
Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
h) Gambarkan posisi air pada kondisi tekanan 8600 kPa dan entropi 1 kJ/(kg K) dan tentukan nilai entalpi dan temperaturnya.
i) Gambarkan siklus perubahan dari posisi dalam P-h diagram mulai keadaan 2, 3, 4, 1 dan 2.
j) Tentukan laju panas yang dipasok dari Boiler.
k) Tentukan laju kerja pada alat Turbin.
l) Tentukam laju panas pada alat Kondensor.
m) Tentukan laju kerja pada alat Pompa.
n) Tentukan laju kerja total oleh siklus ini.
o) Tentukan efisiensi termal terhadap produksi kerja dari siklus rankine ini.
Solusi Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
a) Posisi uap air pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC dalam P-h diagram dinyatakan oleh titik 2
b) Wujud uap air pada tekanan 8600 kPa dan temperatur 500 oC adalah uap lewat jenuh.
c) h2 = 3410 kJ/(kg ), s2 = 6,7 kJ/(kg K)
d) Posisi kondisi uap keluar turbin pada tekanan adalah 2 kPa dan temperatur 100 oC ditunjukkan oleh titik 3 pada P-h diagram
e) Wujud uap air keadaan 3 adalah uap air lewat jenuh. h3 = 2700 kJ/(kg K), s3 = 8,2 kJ/(kg K),
f) Posisi air jenuh pada tekanan 2 kPa pada P-h diagram dinyatakan sebagai titik 4 dimana h=250 kJ/kg, dan s=0,75 kJ/(kg K)
g) Temperatur kondensasi uap air pada tekanan 2 kPa (15 mm Hg) dinyatakan oleh korelasi
ππ ππ‘ =π΅
π΄βlog πβ πΆ , A = 5,40221
B = 1838,675 dan C = -31.737 , P dalam
Bar dan Tsat dalam K.
P=8600 kPa
2
34
1
Solusi Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
g) Temperatur kondensasi uap air pada tekanan 2 kPa (0.2 Bar) dinyatakan oleh korelasi
ππ ππ‘ =1838,675
5,40221βlog 0,2+ 31,737,
P dalam Bar dan Tsat dalam K.
Maka T = 333 K = 60 oC
h) Posisi air pada kondisi 1 pada p-h diagram dengan h=320 kJ/kg dan T=75 oC
i) Siklus perubahan dari posisi dalam P-h diagram mulai keadaan 2, 3, 4, 1 dan 2 seperti ditunjukkan pada garis putus-putus merah.
j) Laju panas yang dipasok dari Boiler
αΆππ» = αΆπ β2 β β1 , αΆππ» > 0
αΆπ = 180π‘ππ
πππ= 50
ππ
π
β2 = 3410kJ
kg
β1 = 320kJ
kg
αΆππ» = 50ππ
π 3410 β 320
ππ½
ππ= 154500 ππ
P=8600 kPa
2
34
1
Solusi Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
k) Laju kerja yang dihasilkan Turbin
αΆπππ = αΆπ β3 β β2 ,
αΆπ = 180π‘ππ
πππ= 50
ππ
π
β3 = 2700kJ
kg
β2 = 3410kJ
kg
αΆπππ = 50ππ
π 2700 β 3410
ππ½
ππ= β35500 ππ
l) Laju panas pada alat Kondensor
αΆππΆ = αΆπ β4 β β3 ,
αΆπ = 180π‘ππ
πππ= 50
ππ
π
β3 = 2700kJ
kg
β4 = 250kJ
kg
αΆππΆ = 50ππ
π 250 β 2700
ππ½
ππ= β122500 ππ
P=8600 kPa
2
34
1
Solusi Kasus 4.1 Produksi kerja dari panas uap air
Air Dingin
Air Jenuh + Uap Jenuh
60 oC
αΆπππ
αΆπππ
h2
m) Laju kerja pada alat Pompa
αΆπππ = αΆπ β1 β β4 ,
αΆπ = 180π‘ππ
πππ= 50
ππ
π
β4 = 250kJ
kg
β1 = 320kJ
kg
αΆπππ = 50ππ
π 320 β 250
ππ½
ππ= 3500 ππ
n) Laju kerja total oleh siklus ini
αΆππ = αΆπππ + αΆπππ,
αΆππ = β35500 + 3500 ππ = β32000 ππ
o) Efisiensi termal terhadap produksi kerja dari siklus rankine ini
%ππ =β αΆππ
αΆππ»π₯100 %
%ππ =β(β32000)
154500π₯100 % = 20,71 %
P=8600 kPa
2
34
1
4.2. Mesin produksi kerja dari gas panas secara langsung dengan siklus Otto
i. Bahan bakar dan udara masuk ke ruang bakar berupa selinder pada tekanan rendah dan volume ruang maksimum dengan tekanan P1 dan volume V1 sebagai keadaan 1
ii. Piston dalam selinder bergerak memperkecil volume selinder sehingga volume ruang gas campuran bahan bakar ke volume V2 sebagai volume minimum dan tekanan naik sedikit menjadi P2 sebagai keadaan 2 dengan kondisi valve udara dan bahan bakar yang masuk tertutup.
iii. Campuran bahan bakar dan udara pada kondisi 2 pada volume tetap sebagai V2 disulut sehingga campuran ini terbakar secara cepat yang menghasilkan temperatur tinggi T3 dan tekanan tinggi P3 sebagai kondisi 3 dimana V3=V2, sehingga jumlah yang masuk pada kondisi ini adalah Q23
iv. Gas panas pada kondisi 3 dengan temperatur T3 tinggi dan tekanan P3 tinggi mendorong Piston bergerak cepat dengan menghasilkan kerja piston sebesar WAB sehingga kondisi tekanan turun menjadi tekanan P4dan temperatur juga turun menjadi T4 dan volume ruang kembali ke volume semula V1 dan valvepembuangan gas terbuka sehingga gas hasil pembakaran keluar dari ruang selinder
v. Keadaan gas dalam ruang selinder pada P4, V4=V1 dan T4 diturunkan tekanannya kembali ke P1 pada volume V1 dan terus dikecilkan kembali volume ruang ke kondisi 0 sehingga gas dalam ruang keluar sebagai pengeluaran panas yang keluar sebesar QBC
vi. Ruang selinder pada tekanan P1 dan V0=V2 dibesarkan kembali volumenya ke V1 dengan tekanan tetap P1 sambil menarik bahan bakar dan udara masuk ke ruang selider.
Siklus Otto
β’ Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.
β’ Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik.
β’ Proses pembakaran volume-konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.
β’ Langkah kerja (3-4) ialah proses isentopik.
β’ Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume-konstan.
β’ Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.
Q23
Q41
Termodinamika siklus ottoβ Kalor masuk = Q23 ; Kalor keluar = Q41
β Kerja W23 dan W41 = 0 karena suku P.dV = 0
β Wnet = Kalor masuk β Kalor keluar
β Efisiensi siklus Otto = Wnet/Kalor masuk = (Q23 + Q41)/Q23
β Q23 = m.Cv.(T3-T2) ; Q41 = m.Cv.(T1-T4)
β Efisiensi siklusnya dinyatakan oleh
ππ =βππππ‘
π23=
π23+π41
π23= 1 +
π41
π23= 1 +
π1βπ4
π3βπ2= 1 β
π4βπ1
π3βπ2
β Korelasi tekanan, volume dan temperatur pada perubahan isentropis dinyatakan oleh persamaan
π1π1πΎ= π2π2
πΎ; π3π3
πΎ= π4π4
πΎ;
π1π1
π1=
π2π2
π2;
π3π3
π3=
π4π4
π4;
π2 = π3; π2
π2=
π3
π3; π1 = π4;
π1
π1=
π4
π4
π2
π1=
π2
π1
βπΎ=
π2
π1
πΎ
πΎβ1dimana πΎ =
πΆπ
πΆπ£,
π4
π3=
π4
π3
βπΎ=
π4
π3
πΎ
πΎβ1
π1
π2=
π2
π1
1/πΎ,
π2
π1=
π2
π1
πΎβ1
πΎ,
π1
π2=
π2
π1
1/πΎ
π2
π1=
π1
π2
1/(πΎβ1);
π1
π2=
π2
π1
(πΎβ1);
π1
π2=
π1
π2
β(πΎβ1);
π2
π1=
π1
π2
(πΎβ1)
Q23
Q41
Termodinamika siklus otto
β Ξ·o= 1 β {(T4-T1)/(T3-T2)}
β T4/T3 = (V4/V3)1- ; T1/T2 = (V1/V2)1-
β V4/V3 = V1/V2 = Vmax/Vmin = r : compression ratio
β T4 diganti menjadi T3x (r)1- dan T1 diganti menjadi T2x(r)1-
β Efisiensi siklus Otto: Ξ·o = 1-(r)1- = 1 β (1/r)Ξ³-1
βEfisiensi siklus Otto meningkat cepat pada comp. ratio yg rendah dan kemudian meningkat lambatpada comp. ratio yg tinggi β Hal ini sudah dibuktikan pada percobaan riil mesin Ottoβ
ππ = 1 βπ1π2
1βπΎ
= 1 β1
π
πΎβ1
Q23
Q41
Kasus 1Sebuah mesin Otto memiliki rasio kompresi sebesar 10. Temperatur gas buang mesin ini dilaporkan sebesar 300 oC. Tekanan gas buang mesin ini adalah 200 kPa. Perbandingan kapasitas jenis tekanan konstan dan kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus ini adalah 1,4. Kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus adalah 0,717 kJ/(kg K). Kerja netto yang dihasilkan mesin Otto per kg gas dalam siklus ini diketahui sebesar 1000 kJ/kg.
a) Berapa efisiensi siklus Otto ini?;
b) Berapa temperatur gas keluar langkah kompresi isentropik pada siklus Otto?
c) Berapa tekanan gas yang dihasilkan pada langkah pemanasan ini?
d) Berapa temperatur gas keluar langkah pemanasan volume konstan ini?
e) Berapa jumlah panas yang dipasok pada langkah pemasokan panas ini?
f) Berapa temperatur gas yang dihasilkan pada langkah ekspansi secara isentropis ini?
g) Berapa jumlah panas yang dibuang pada langkah pembuangan panas pada volume konstan
Solusi 1Sebuah mesin Otto memiliki rasio kompresi sebesar 10. Temperatur gas buang mesin ini dilaporkan sebesar 300 oC. Tekanan gas buang mesin ini adalah 200 kPa. Perbandingan kapasitas jenis tekanan konstan dan kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus ini adalah 1,4. Kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus adalah 0,717 kJ/(kg K). Kerja netto yang dihasilkan mesin Otto per kg gas dalam siklus ini diketahui sebesar 100 kJ/kg.
a) Efisiensi siklus Otto; ππ = 1 β1
π
πΎβ1; ππ = 1 β
1
10
1,4β1; ππ = 1 β 10 β0,4 = 60,2 %
b) Temperatur gas buang dan tekanan gas buang yang diketahui menandakan kondisi awal mesin Otto sebelum mengalami peristiwa kompresi. Maka kondisi ini dinyatakan sebagai kondisi 1 pada siklus Otto sehinga T1 = 300 oC dan P1 = 200 kPa.
Peristiwa langkah kompresi secara isentropis menghasilkan kondisi 2 pada temperatur T2 dan tekanan P2.
Hubungan π2
π1=
π1
π2
(πΎβ1); π2
π1= π1,4β1; π2 = 300 + 273 101,4β1 ; T2 = 1439 K = 1166 oC. Maka temperatur gas keluar
langkah kompresi ini adalah 1166 oC
c) Hubungan tekanan P2 dengan temperatur dinyatakan oleh persamaan π2
π1=
π2
π1
πΎ
πΎβ1; maka π2 = 200 πππ
1439
573
1,4/ 1,4β1=
5024 πππ
d) Jumlah panas yang dipasok pada langkah pemasokan panas ini dinyatakan sebagai Q23 . Besarnya kerja netto oleh mesin siklus adalah
-Wnet = Jumlah panas langkah pasokan + Jumlah panas langkah buang . βWnet = 1000 kJ/kg. βWnet = Q23 + Q41
100 kJ/kg = Cv (T3-T2) + Cv (T1-T4); 100 = 0,717 (T3 β 1439) + 0,717 (573 β T4);
Maka 139,5= -866 + T3 β T4; T3 β T4 = 1005,5
Hubungan langkah ekspansi isentropis adalah π3
π4=
π4
π3
πΎβ1; maka π3 = π4 10 1,4β1; T3 = 2,512 T4 ; T4 = 0,398 T3
T3 β 0,398 T3 = 2261 ; Maka T3 = 1670,5 K. Jadi temperatur gas keluar langkah pemanasan ini adalah 1670,5 K
Solusi 1Sebuah mesin Otto memiliki rasio kompresi sebesar 10. Temperatur gas buang mesin ini dilaporkan sebesar 300 oC. Tekanan gas buang mesin ini adalah 200 kPa. Perbandingan kapasitas jenis tekanan konstan dan kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus ini adalah 1,4. Kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus adalah 0,717 kJ/(kg K). Kerja netto yang dihasilkan mesin Otto per kg gas dalam siklus ini diketahui sebesar 1000 kJ/kg.
e) Jumlah panas yang dipasok pada langkah pemasokan panas ini dinyatakan sebagai Q23
Q23 = Cv (T3-T2) ; Q23 = 0,717 (1670,5 β 1439) kJ/kg = 165 kJ/kg
f) Temperatur gas keluaran langkah ekspansi isentropis adalah T4 dimana T4 = 0,398 T3 = 0,398 x 1670,5 K=
665 K.
g) Jumlah panas yang dikeluarkan pada langkah buang adalah Q41. Dari persamaan βWnet = Q23 + Q41, maka
Q41 = Q23 β Wnet = -165+100 = -65 kJ/kg.
4.3 Produksi kerja secara Siklus Diesel
Compression ratio r = VB/VA
Cutoff ratio = V3/V2
Expansion ratio = re =V4/V3
Siklus Diesel
β’ Langkah (0-1) adalah langkah hisap udara, pada tekanan konstan.
β’ Langkah (1-2) adalah langkah kompresi, pada keadaan isentropik.
β’ Langkah (2-3) adalah langkah pemasukan kalor, pada tekanan konstan.
β’ Langkah (3-4) adalah langkah ekspansi, pada keadaan isentropik.
β’ Langkah (4-1) adalah langkah pengeluaran kalor, pada tekanan konstan.
β’ Langkah (0-1) adalah langkah buang, pada tekanan konstan
A = TMA (Titik Mati Atas) / TDCB = TMB (Titik Mati Bawah) / BDC
Termodinamika siklus diesel
β Kalor masuk = Q23 ; Kalor keluar = Q41
β Wnet = |Kalor masuk| β |Kalor keluar|
β Efisiensi siklus Diesel = Wnet/Kalor masuk = (Q23 + Q41)/Q23
β Q23 = m.Cp.(T3-T2) ;
β Q41 = m.Cv.(T1-T4)
β Efisiensi siklusnya diesel
ππ· =βππππ‘
π23=
π23+π41
π23= 1 +
π41
π23= 1 +
πΆπ π1βπ4
πΆπ π3βπ2= 1 β
1
πΎ
π4βπ1
π3βπ2
β Korelasi tekanan, volume dan temperatur pada perubahan isentropis dinyatakan oleh persamaan
π2
π1=
π2
π1
βπΎ=
π2
π1
πΎ
πΎβ1
π23 = ππΆπ π3 β π2
π23
π41π41 = ππΆπ£ π1 β π4
Termodinamika siklus diesel
β Efisiensi siklus: ππ· = 1 β1
πΎ
π4βπ1
π3βπ2
β T4/T3 = (V4/V3)1- ;
β T1/T2 = (V1/V2)1-
β V4/V3 = re: sebagai expansion ratio (re)
β V1/V2 = Vmax/Vmin = r: sebagai compression ratio (r)
β Efisiensi dapat ditulis menjadi: ππ· = 1 β1
π3(ππ
1β)βπ2(π1β)π3βπ2
β Cari hubungan T3 dan T2β T3/T2 = V3/V2
π23 = ππΆπ π3 β π2
π23
π41π41 = ππΆπ£ π1 β π4
Termodinamika siklus diesel
β V3/V2 dapat ditulis menjadi (V3/V4)/(V2/V1) βkarena V4 dan V1 sama
β Artinya V3/V2 = (1/re)/(1/r), maka T3/T2 = (1/re)/(1/r)
β Efisiensi siklus Diesel:
ππ· = 1 β1
(π/π
π)(π
π1β)β(π1β)
(π/ππ)β1
π23 = ππΆπ π3 β π2
π23
π41π41 = ππΆπ£ π1 β π4
Kasus 2
Pada awal proses kompresi di mesin diesel-siklus udara berada pada temperatur 300 K dan tekanan 1 atm. Rasio kompresi adalah 16. Suhu siklus puncak sama dengan suhu sumber 2000 K.
Proses kompresi dan ekspansi adiabatik bersifat reversibel. Meskipun suhu tinggi terlibat, asumsikan bahwa panas spesifik adalah konstan pada nilai suhu rendahnya. Asumsikan bahwa nilai Cp/Cv tetap sebesar 1,4. Kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus adalah 0,717 kJ/(kg K) .
Temukan transfer energi per satuan massa untuk setiap proses dalam siklus
Solusi Kasus 2β’ Kondisi 1: P1 = 1 atm dan T1 = 300 K
β’ Persamaan gas ideal P1v1 = R T1 ; v1 = RT1/P1 =
R = 0.082057338 L atm/(K mol), v1 = 24,617 L/mol
β’ Kondisi 3: T3 = 2000 K
β’ Rasio kompresi v1/v2 = 16, v2 = 24,617/16 = 1,54 L/mol
β’ Hubunganπ2
π1=
π£1
π£2
πΎβ1,
maka π2 = 300 π₯ 161,4β1 = 909 πΎ
β’ Hubungan π2
π1=
π£1
π£2
πΎ, maka π2 = 1π₯ 16 1.4 = 48,5 ππ‘π
β’ P2 = P3 = 48,5 atm, v3 = RT3/P3, v3= 0.08205 x 2000/48,5 = 3,383 L/mol
β’ Hubungan π3
π4=
π£4
π£3
πΎβ1=
π£1
π£3
πΎβ1=
24,617
3,383
1,4β1= 2,211.
Maka T4 = T3/2,211 = 2000/2,211 = 904 K
β’ Hubungan π4
π3=
π£3
π£4
πΎ=
3,383
24,617
1,4, maka P4 = 3,01 atm
π23 = ππΆπ π3 β π2
π23
π41π41 = ππΆπ£ π1 β π4
Solusi Kasus 2β’
π23
π= πΆπ π3 β π2 ; Cp = Ξ³ Cv ; Cv = 0,717 kJ/(kg K) ; Cp = 1 kJ/(kg K)
β’π23
π= 1 2000 β 909
ππ½
ππ πΎ= 1091
ππ½
ππ πΎ
β’π41
π= πΆπ£ π1 β π4 ;
π41
π= 0,717 300 β 904 ;
maka π41
π= β433
ππ½
ππ πΎ
β’ βππππ‘
π=
π23
π+
π41
π= 1091
ππ½
ππ πΎβ 433
ππ½
ππ πΎ= 657,9
ππ
ππ πΎ
β’ Efisiensi siklus Diesel ππ· =βππππ‘
π23=
657,9
1091= 0,6
π23 = ππΆπ π3 β π2
π23
π41π41 = ππΆπ£ π1 β π4
4.4 Produksi kerja dengan turbin gas dengan siklus/alur Brayton
β’ Turbin gas adalah alat untuk mengkonversi energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik.
β’ Turbin gas dengan lajur alir massa gas αΆππππ secara teoritik bekerja mengikuti alur Brayton:a. Kompresi isentropik (1-2) c. Ekspansi isentropik (3-4)
b. Pemanasan isobarik (2-3) d. Pendinginan isobarik (4-1): Tidak dilakukan
πππ
πππ
Turbin gas: ALUR nyata braytonβ’ Turbin gas adalah alat untuk mengkonversi energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik.
β’ Turbin gas dengan lajur alir massa gas αΆππππ secara teoritik bekerja mengikuti alur Brayton:
a. Kompresi politropik (1-2β) c. Ekspansi politropik (3-4β)
b. Pemanasan isobarik (2β-3) d. Pendinginan isobarik (4β-1): Tidak dilakukan
2β
4β2β
4β
πππ
πππ
Evaluasi Kinerja Turbin gasβ’ Asumsi: gas ideal, laju alir massa konstan,
β’ Kerja kompressor teoritik (isentropis) diperlukan: ππΆ,ππ ππ = αΆππππ πΆπ(π2 β π1)
β’ Kerja kompressor nyata (politropik) diperlukan: ππΆ,ππππ = αΆππππ πΆπ(π2β² β π1)
β’ Efisiensi kompresor, ππ =πππ ππ
πππππ=
π2βπ1
π2β²βπ1
β’ Laju panas teoritik pasokan: πππ,π‘πππππ‘ππ = αΆππππ πΆπ(π3 β π2)
β’ Laju panas nyata pasokan: πππ,ππ¦ππ‘π = αΆππππ πΆπ(π3 β π2β²)
β’ Kerja turbin teoritik (isentropis) dihasilkan: ππ,ππ ππ = β αΆππππ πΆπ(π4 β π3)
β’ Kerja turbin nyata (politropik) dihasilkan: ππ,ππππ = β αΆππππ πΆπ(π4β² β π3)
β’ Kerja turbin gas alur teoritik (isentropis) dihasilkan: ππ΄,π‘πππππ‘ππ = ππ,ππ ππ βππΆ,ππ ππ
β’ Kerja turbin gas alur nyata (politropik) dihasilkan: ππ΄,ππ¦ππ‘π = ππ,ππππ βππΆ,ππππ
β’ Efisiensi turbin gas alur teoritik, A,teoritik = WA,teoritik/Qin,teortik =1 β (P2/P1)^{(1-Ξ³)/Ξ³}
β’ Efisiensi turbin gas alur nyata, A, nyata = WA,nyata/Qin,nyata
Contoh kasus 3β’ Langkah-langkah perhitungan:
1. Tinjau tiap proses β 1-2s (kompresi adiabatik rev.); 2s-3 (pemanasan isobar); 3-4s (ekspansi adiabatik rev.); 4s-1 (pendinginan isobar)
2. Kompresi adiabatik rev. atau isentropik:β’ Perlu kerja sebesar β n.Cp.(T2S-T1)
3. Pemanasan isobar:β’ Perlu kalor sebesar β n.Cp.(T3-T2S)
4. Ekspansi adiabatik rev. atau isentropik:β’Hasilkan kerja sebesar β n.Cp.(T4S-T3)
5. Pendinginan isobar:β’ Lepas kalor sebesar β n.Cp.(T1-T4S)
Contoh kasus 3
β’ Langkah-langkah perhitungan:
6. Efisiensi termalnya mirip dengan turbin kukus yaitu W net dibagi Q suplai
β’ πΈπππ ππππ π =π,πππ‘
π,π π’ππππ=
ππππ ππππππβππππππππ ππ
πππ=
7. Karena proses kompresi dan ekspansinya adiabatik, berlaku hubungan:
β’ π1π1= π2π2
(untuk proses kompresi) β
β’ π3π3= π4π4
(untuk proses ekspansi) β
β’ P2=P3=P atas (max) ; P1=P4=P bawah (min)
β’ r = P max / P min = pressure ratio
β’ = Cp/Cv (untuk udara umumnya adalah 7/5)
β’ T3-T2 = T4.(ππππ₯/ππππ)π-T1.(ππππ₯/ππππ)π , dengan m = (-1)/
β’ Efisiensi siklus dapat ditulis β 1-(πβπ)Efisiensi sangat bergantung dari nisbah tekanan
P4
P3
Contoh kasus 3
β’ Catatan:
β’Perhatikan W ekspander dan W kompresor pada siklus Brayton (turbin gas)! β gambar kanan atas
β’Bandingkan antara W ekspander dan W pompa pada siklus Rankine (turbin kukus)! β gambar tengah atas
β’Wkomp pada turbin gas jauh bernilai signifikan, sehingga kerja netto harus memperhitungkan selisih W eksp dan W komp
β’Wpompa pada turbin kukus sangat kecil (jauh dibanding W eksp), sehingga kerja netto BOLEH dianggap sama dengan W eksp
β’Kerja dari turbin gas itu untuk menggerakan kompresor DAN menghasilkan listrik (power)
Contoh Kasus 4Sebuah mesin turbin gas dengan rasio kompresi PB/PA = 6 beroperasi dengan udara yang masuk ke kompresor pada 25Β°C. Jika suhu maksimum yang diizinkan dalam turbin adalah 760 Β°C, tentukan:
a) Efisiensi termal dari siklus standar udara reversibel untuk kondisi ini jika Ξ³= 1,4 ,
b) Efisiensi termal untuk siklus standar udara untuk kondisi tertentu jika kompresor dan turbinberoperasi secara adiabatik tetapi ireversibel dengan efisiensi Ξ·c = 0,83 dan Ξ·t = 0,86
Solusi
a) Efisiensi termal dari siklus standar udara reversibel untuk kondisi ini jika Ξ³= 1,4 adalah
A,teoritik = 1 β (P2/P1)^{(1-Ξ³)/Ξ³} = 1 β(1/6)^{(1,4-1)/1,4} = 1 β 0,6 = 0,4
b) Efisiensi termal untuk siklus standar udara untuk kondisi tertentu jika kompresor dan turbinberoperasi secara adiabatik tetapi ireversibel dengan efisiensi Ξ·c = 0,83 dan Ξ·t = 0,86
4.4 Penghasil kerja oleh mesin Carnotβ’ Panas dari temperatur tinggi Th sebesar Qh dialirkan ke alat penghasilkan kerja.
β’ Alat ini menghasilkan kerja sebesar W.
β’ Alat ini membuang panas sebanyak Qc ke ruang pada temperatur Tc
β’ Sistem yang dipandang adalah mesin penghasil kerja sebagai mesin Carnot dimana mesin carnottidak mengalami perubahan energi dalam sehingga U = 0
β’ Hukum pertama termodinamika U=W+Q
β’ U=0, maka W = -Q = -(Qh β Qc)
β’ Efisiensi mesin Carnot penghasil kerja Ξ·C = -W/Qh = (Qh β Qc) /Qh = 1 β Qc/Qh
β’ Perubahan entropi ruang pemberi panas Sh = -Qh/Th
β’ Perubahan entropi ruang penerima panas Sc = -Qc/Tc
β’ Entropi gabungan ruang pemberi panas dan penerima panas Sgab = -Qh/Th - Qc/Tc
β’ Mesin Carnot berlangsung secara proses reversibel maka Sgab = 0, maka -Qc/Tc = Qh/Th dan -Qc/Qh = Tc/Th
β’ Efisiensi mesin Carnot: Ξ·C = 1 β Tc/Th
Contoh Kasus 5
Sebuah pembangkit listrik pusat, dengan nilai 800.000 kW, menghasilkan uap pada 585 K dan membuang panas ke sungai pada 295 K. Jika efisiensi termal pembangkit adalah 70% dari nilaiefisiensi maksimum yang mungkin, berapa banyak panas yang dibuang ke sungai pada daya terukur?
Solusi:
Efisiensi maksimum dinyatakan oleh efisiensi mesin Carnot. Efisiensi mesin Carnot : Ξ·C = 1 β Tc/Th
Ξ·C = 1 β Tc/Th = 1 β 295/585 = 0,4957
Efisensi nyata Ξ· = 0,7 x Ξ·C = 0,7 x 0,4957 = 0,347.
Ξ· = 1 β Qc/Qh = (Qh β Qc)/Qh = -W/Qh; Maka Qh = (-W)/ Ξ·= x 800.000/0,347 kW = 2305476 kW
W = Qh β Qc. Maka Qc = Qh β W = (2305476 β 800000) kW = 1505476 kW
Tugas Pekerjaan 4Tugas ini dikerjakan dalam waktu 1 minggu. Tugas ini diserahkan setelah 1 minggu tugas ini diberikan.
Tugas Pekerjaan 4.1Siklus dasar untuk pembangkit listrik tenaga uap ditunjukkan pada Gambar yang diberikan. Turbin beroperasi secara adiabatik dengan uap masuk pada 6800 kPa dan 550 Β°C dengan laju 100 ton/jam dan uap keluar turbin pada tekanan 60 kPa dan temperaturnya 10 oC di atas temperatur uap jenuhnya. Uap lewat jenuh pada tekanan 60 kPa ini dikondensasi dalam kondensor ke air jenuh. Air jenuh ini di pompa ke tekanan 6800 kPa sehingga air ini mengalami kenaikan entropi sebesar 30 % dari entropi air jenuhnya. Laju
a) Tentukan jumlah laju kerja yang dihasikan oleh turbin.
b) Tentukan laju panas yang pada kondensor yang harus dikeluarkan dari sistem kondensor.
c) Tentukan laju kerja yang diterima oleh air dari pompa.
d) Tentukan laju panas yang harus diberikan ke air keluaran pompa untuk menguapkan ke kondisi tekanan 6800 kPa dan temperatur 550 Β°C pada Boiler.
e) Evaluasi laju perubahan entropi yang terjadi pada Turbin, Condensor, Pump dan Boiler.
f) Tentukan efisiensi siklus ini dalam pembangkitan kerja
Tugas Pekerjaan 4.2
Siklus Otto yang ideal memiliki rasio kompresi 8. Pada awal proses kompresi, udara berada pada 100 kPa dan 28 Β°C, dan 800 kJ/kg panas dipindahkan ke udara selama proses penambahan panas volume konstan. Akuntansi untuk variasi panas spesifik udara dengan suhu, tentukan
(a) suhu dan tekanan maksimum yang terjadi selama siklus, (b) keluaran kerja bersih, (c) efisiensitermal, dan (d) tekanan efektif rata-rata untuk siklus
Tugas Pekerjaan 4.3
Siklus diesel standar udara yang diidealkan memiliki rasio kompresi 15. Jumlah panas yang dipasok adalah 1600 kJ/kg. Kondisi inlet adalah 30 oCpada 1 atm. Meskipun suhu tinggi terlibat, asumsikan bahwa panas spesifik adalah konstan pada nilai suhu rendahnya. Asumsikan bahwa nilai Cp/Cv tetap sebesar 1,4. Kapasitas panas jenis volume konstan untuk gas dalam siklus adalah 0,717 kJ/(kg K) . Temukan tekanan dan suhu pada akhir setiap proses dalam siklus dan tentukan efisiensi siklus.