kul pendingin05

SISTEM BERTEKANAN BANYAK

(SISTEM TEKANAN BERTINGKAT)

BAB IV

SISTEM KOMPRESI UAP STANDAR

SISTEM KOMPRESI UAP STANDAR

P2

P1

SISTEM BERTEKANAN BANYAK

sistem refrigerasi yang mempunyai dua atau lebih tekanan sisi rendah(low side pressure).

Tekanan sisi rendah

tekanan refrigeran antara katup

ekspansi dan saluran masuk ke

kompresor

tekanan refrigeran antara saluran

keluar kompresor dan katup

ekspansi

Sistem Bertekanan

Banyak

Tekanan sisi tinggi

1. Pemisahan gas cetus (flash gas)

Penghematan daya suatu sistem refrigerasi dapat dicapai bila gas cetus (flash gas) yang timbul di dalam proses pengatupan di antara kondensor dan evaporator dipisahkan dan ditekan kembali sebelum campuran tersebut mengalami ekspansi sempurna, bila cairan jenuh diekspansikan melalui suatu katup ekspansimaka fraksi uap atau gas cetus terus bertambah

1. Pemisahan gas cetus (flash gas)

1. Pemisahan gas cetus (flash gas)

Pengamatan terhadap proses ekspansi 6-7 menunjukkan bahwa proses tersebut sia – sia. Pertama, refrigeran di titik 7 tak dapat melakukan pendinginan, kedua, akan dibutuhkan kerja untuk menekan uap kembali ke tekanan semula di titik 6. Mengapa tidak dilakukan ekspansi sebagian, memisahkan cairan dari uap, lalu meneruskan ekspansi cairan dan kemudian menekan ulang uap tanpa melakukan ekspansi lebih lanjut ?

1. Pemisahan gas cetus (flash gas)

Alat yang digunakan untuk melakukan pemisahan ini disebut adalah tangki cetus (fash tank gambar 4.3 ). Ekspansi dari titik 1 ke titik 3 terjadi melalui suatu katup apung (float valve), yang kemudian diperlukan untuk mempertahankan tinggi cairan yang tetap di dalam tangki cetus. Untuk menekan kembali uap di titik 6, harus ada kompresor yang bertekanan hisap di titik 6. Jadi dalam sistem ini dibutuhkan dua buah kompresor.

1. Pemisahan gas cetus (flash gas)

2. Intercooling

Intercooling antara kedua tingkatan kompresi akan menurunkan kerja per-pound (per-kilogram) uap. Untuk kompresi udara dua tingkat misalnya, intercooling dari titik 2 ke titik 4 pada diagram tekanan – volume langkah (lihat gambar), menghemat sejumlah kerja. Bila proses tersebut reversibel, penghematannya ditunjukkan dengan daerah yang terarsir.

2. Intercooling

2. Intercooling

Dalam gambar 4.5 dilihat bagaimana kompresi dengan intercooling digambarkan pada diagram p – h suatu refrigeran.

Proses 1-2-3 dan 4-5 berada pada satu garis dengan entropi konstan, tetapi proses 2-3 mempunyai kurva yang lebih miring daripada proses 4-5.

Karena itu di antara dua tekanan yang sama, proses 4-5 memperlihatkan kenaikan entalpi yang lebih kecil, yang menunjukkan bahwa kerja yang dibutuhkan lebih sedikit dibandingkan proses 2-3.

2. Intercooling

p ,

psia

h (Btu/lb)

Gambar 4.5 Intercooling refrigeran pada kompresi dua tingkat

1

2

5

4

6 3

2. Intercooling

Intercooling dengan refrigeran amonia cair

biasanya dapat menurunkan daya total yang

dibutuhkan, tetapi keadaan ini tidak terjadi pada

refrigeran R12 atau R22, seperti terlihat pada

contoh 4.1 dan contoh 4.2.

Dalam contoh – contoh ini, anggap bahwa cairan

meninggalkan kondensor dalam keadaan jenuh,

uap meninggalkan evaporator dalam keadaan

jenuh, dan proses kompresi isentropik.

2. Intercooling

Contoh 4.1

Hitung daya yang diperlukan untuk

mengkompresikan 20 lb/min amonia dari uap

jenuh pada tekanan 20 psia ke tekanan

kondensor 160 psia dengan :

a. Kompresi satu tingkat

b. Kompresi dua tingkat dengan intercooling pada

56 psia dengan menggunakan refrigeran cair.

2. IntercoolingTabel 4.1 Perbandingan kompresi amonia dengan dan tanpa intercooling

Tanpa intercooling,Proses 1-2, 2-3

Dengan intercooling,Proses 1-2, 2-4, 4-5

h2 – h1, Btu/lb 655 – 606 = 59 655 – 606 = 59

h3 – h2, Btu/lb 739 – 665 = 74 ...

h5 – h4, Btu/lb ... 682 – 620 = 62

Laju aliran dari 1 ke 2, kg/det 20 20

Laju aliran dari 2 ke 3, kg/det 20 ...

Laju aliran dari 4 ke 5, kg/det ... 21,8

Kebutuhan daya dari 1 ke 2, Btu/min 1180 1180

Kebutuhan daya dari 2 ke 3, Btu/min 1480 ...

Kebutuhan daya dari 4 ke 5, Btu/min ... 1350

Total daya, Btu/min 2660 2530

2. Intercooling

Laju aliran amonia yang dikompresikan pada tingkat yang lebih tinggi dapat dihitung dengan membuat keseimbangan kalor dan massa disekitar intercooler (lihat gambar 4.6).

2. Intercooling

4

26

Gambar 4.6 Keseimbangan kalor dan massa disekitar intercooler pada contoh 4.1

Dari kondenser

h = 135 Btu/lb

h = 665 Btu/lb

20 lb/min

h = 620 Btu/lb

2. Intercooling

Keseimbangan kalor :

m6 (135 Btu/lb) + (20 lb/min) (665 Btu/lb) = m4 (620 Btu/lb)

Keseimbangan massa :

m6 + 20 lb/min = m4

Dari kedua persamaan itu kemudian di dapat :

m4 = 21,8 lb/min

Intercooling amonia dengan cairan refrigeran menurunkan

kebutuhan daya dari 2660 Btu/min menjadi 2530 Btu/min.

2. Intercooling

Contoh 4.2

Bandingkan kompesi dari 50 lb/min dari refrigeran R12

dari uap jenuh pada 12 psia ke tekanan kondensor pada

120 psia dengan :

a. Kompresi satu tingkat

b. Kompresi dua tingkat dengan intercooling pada 38

psia dengan menggunakan refrigeran cair.

2. Intercooling

Penyelesaian :Untuk refrigeran R22, intercooling dengan refrigeran yang sedang mengalami proses kompresi adalah tidak efektif.

Perbedaan selama intercooling antara sistem amonia dan refrigeran R22 terlihat dari perbedaan sifat – sifatnya. Garis – garis entropi konstan untuk amonia menjadi lebih mendatar di daerah panas lanjut daripada garis – garis untuk refrigeran R22.

Karena itu, pada sistem refrigeran R22 penghematan kerja per pound dengan melakukan kompresi yang mendekati garis uap jenuh tidak dapat mengatasi naiknya laju aliran yang harus dipompakan oleh kompresor tingkat tinggi.

2. IntercoolingTabel 4.2 Perbandingan kompresi refrigeran R22 dengan dan tanpa intercooling

Tanpa intercooling,Proses 1-2, 2-3

Dengan intercooling,Proses 1-2, 2-4, 4-5

h2 – h1, Btu/lb 82,5 – 74,0 = 8,5 82,5 – 74,0 = 8,5

h3 – h2, Btu/lb 91,8 – 82,5 = 9,3 ...

h5 – h4, Btu/lb ... 88,5 – 79,7 = 8,8

Laju aliran dari 1 ke 2, kg/det 50 50

Laju aliran dari 2 ke 3, kg/det 50 ...

Laju aliran dari 4 ke 5, kg/det ... 52,8

Kebutuhan daya dari 1 ke 2, Btu/min 425 425

Kebutuhan daya dari 2 ke 3, Btu/min 465 ...

Kebutuhan daya dari 4 ke 5, Btu/min ... 466

Total daya, Btu/min 890 891

2. Intercooling

Tekanan optimum dari intercooling dalam pendinginan

(refrigerasi) dapat diperkirakan dengan menggunakan

persamaan yang sama untuk kompresi udara, yaitu :

dimana :

pi = tekanan intercooler (psia atau kPa)

ps = tekanan isap kompresor tingkat rendah

(psia atau kPa)

ps = tekanan buang kompresor tingkat tinggi

(psia atau kPa)

dsi ppp

3. Satu evaporator dan satu kompresor

Tangki cetus dan intercooler terdapat pada hampir

semua sistem bertekanan banyak dan sekarang akan

ditinjau dari berbagai kombinasi kompresor – evaporator.

Dengan satu kompresor dan satu evaporator, tangki

cetus akan berfungsi seperti terlihat pada gambar 4.7.

3. Satu evaporator dan satu kompresor

Kondensor

Evaporator

Katup

Penurun

Tekanan

Gambar 4.7 Sistem dengan satu kompresor dan satu evaporator, menggunakan sebuah tangki cetus

Kompresor

Tangki cetus

Pipa panjang

4. Dua evaporator dan satu kompresor

Kompresi dua tingkat dengan intercooling dan

pemisahan gas cetus seringkali merupakan cara yang

ideal untuk melayani satu evaporator bertemperatur

rendah. Sistem ini memerlukan daya yang lebih sedikit

dari sistem kompresor tunggal dan seringkali

penghematan daya ini akan menentukan harga peralatan

ekstra.

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Sistem yang mempunyai dua evaporator, yang bekerja pada temperatur yang berbeda merupakan hal yang umum di dalam refrigerasi industri. Suatu pabrik makanan beku mungkin membutuhkan dua evaporator yang berbeda temperaturnya, yang satu – 35 °F (37 °C) untuk pendinginan cepat bahan makanan dan yang lain – 10 °F (23 °C) untuk menyimpan makanan setelah dibekukan. Industri kimia dan proses seringkalimembutuhkan temperatur – temperatur refrigerasi yang berbeda dalam berbagai bagian parbrik. Evaporator – evaporator yang temperaturnya berbeda – beda dapat ditangani secara efisien oleh suatu sistem kompresi dua tingkat yang menggunakan intercooling dan pemisah gas cetus.

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Contoh 4.3

Pada suatu sistem amonia, satu evaporator diperlukan untuk 20 ton pendinginan pada temperatur – 30 °F dan evaporator lain 40 ton pendinginan pada temperatur 10 °F. Sistem ini menggunakan kompresi dua tingkat dengan intercooling dan diatur seperti gambar 4.10. Temperatur kondensasi (pengembunan) 90 °F.

Hitung daya yang dibutuhkan oleh kompresor.

6. Dua kompresor dan dua evaporatorKondensor

90 °F

Evaporator

40 ton, 10 °F

Gambar 4.10 Sistem dengan dua kompresor dan dua evaporator, dengan

intercooling dan pemisah gas cetus

Kompresor

tingkat

tinggi

Evaporator

20 ton, −30 °FKompresor

tingkat

rendah

1

Intercooler dan tangki cetus

2

3

45

6

6

7

8

6. Dua kompresor dan dua evaporator

p ,

psia

5

8 1

h (Btu/lb)

Gambar 4.11 Diagram p – h untuk Sistem pada gambar 4.10

90 °F

180,6 psia

10 °F

38,5 psia

−30 °F

13,9 psia

23

4

67

6. Dua kompresor dan dua evaporator

PenyelesaianGambarkan diagram p – h untuk siklus (seperti gambar 4.11). Tekanan buang kompresor tingkat tinggi bernilai sama dengan tekanan pada evaporator pada temperatur 10°F.Selanjutnya tentukan entalpi – entalpi pada setiap titik keadaan yaitu :h1 = hg pada – 30 °F = 601,4 Btu/lb

h2 = h pada 38,5 psia setelah kompresi isentropik = 657 Btu/lb

h3 = hg pada –10 °F = 614,9 Btu/lb

h4 = h pada 180,6 psia setelah kompresi isentropik = 712 Btu/lb

h5 = hf pada 90 °F = 143,5 Btu/lb

h6 = h5 = 143,5 Btu/lb

h7 = hf pada 10 °F = 53,8 Btu/lb

h8 = h7 = 53,8 Btu/lb

6. Dua kompresor dan dua evaporator

lb/min7,3

lbBtu53,8-601,4

tonminBtu200ton20m1

/

/

Sekarang laju aliran massa dapat dihitung :

m7 = m8 = m2 = m1 = 7,3 lb/min

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Kemungkinan, cara yang paling sederhana untuk

menghitung laju aliran massa yang dihasilkan oleh

kompresor tingkat tinggi tersebut adalah dengan

membuat keseimbangan kalor dan massa di sekitar

evaporator bertemperatur tinggi (lihat gambar 4.12).

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Evaporator

40 ton, 10 °F

Intercooler dan tangki cetus

2

3

56

6

7

8000 Btu/min

Gambar 4.12 Keseimbangan kalor dan massa di sekitar evaporator tingkat

tinggi dan intercooler pada contoh 4.3

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Keseimbangan kalor

m5h5 + 8000 Btu/min + m2h2 = m3h3 + m7h7

Keseimbangan massa

m5 + m2 = m3 + m7

Dimana: m2 = m7 = 7,3 lb/min

sehingga m5 = m3

Gabungkan persamaan – persamaan di atas sehingga

menghasilkan

143,5 m3 + 8000 + (7,3) (657) = (614,9) m3 + (7,3) (53,8)

m3 = 26,3 lb/min

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Hitung daya yang diperlukan oleh kompresor

hp9,6

minhp/Btu42,4

601,4657lb/min7,3rendahtingkatKompresor

hp106

minhp/Btu42,4

615127lb/min26,3tinggitingkatKompresor ,

Total daya = 9,6 hp + 60,1 hp = 69,7 hp (atau 52 kW)

6. Dua kompresor dan dua evaporator

Jika satu kompresor melayani masing – masing

evaporator pada kompresi tunggal, kebutuhan daya untuk

dua kompresor adalah sebagai berikut :

Laju aliran temperatur untuk temperatur rendah

mA = (20 x 200) / (601,4 – 143,5) = 8,73 lb/min

Laju aliran temperatur untuk temperatur tinggi

mB = (40 x 200) / (614,9 – 143,5) = 16,95 lb/min

Daya temperatur untuk rendah = [8,73 (772 – 601,4)] /

42,4 = 35,2 hp

Daya temperatur untuk tinggi = [16,95 (712 – 614,9)] /

42,4 = 38,8 hp

Total daya = 35,2 hp + 38,8 hp = 74 hp (atau 55 kW)