bab 1

18
 Teknik Pendingin BAB I PENDAHULUAN Perkembangan siklus refrigerasi dan perkembangan mesin refrigerasi (pendingin) merintis jalan bagi pertumbuhan dan penggunaan mesin penyegaran udara (air conditioning ). Teknologi ini dimulai oleh Cagniard de la Tour (Perancis, 1823) yang melakukan penelitian tentang keadaan kritis dan gas eter. Kemudian dilanjutkan oleh Humphrey Dary dan asistennya M.Faraday (Inggris, 1824), merupakan orang pertama yang berhasil menemukan cara mencairkan gas ammonia. Prinsip dasar silus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S. Carnot (Perancis, 1824). Selanjutnya Joseph Mc.Creaty (Amerika, 1897), yang pertama membuat instalasi  pendingin yang dinamai mesin pencuci udara ( air washer ), yaitu suatu sistem  pendingin yang mempergunakan percikan air. Sedangkan Dr. Willis Hariland Carier (Amerika, 1906) dan kemudian dipatenkan pada tahun 1911, membuat alat pengatur temperatur dan kelembaban udara. Penyegaran udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang dipersyaratkan terhadap kondisi udara dari suatu ruang tertentu. Selain itu, mengatur aliran udara dan kebersihannya. 1.1. Penerapan Refrigerasi dan Pengkondisian Udara Bidanga refrigerasi dan pengkondisian udara salaing berkaitan satu sama lainnya, tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda. Penerapan teknik refrigerasi yang terbanyak adalah pada refrigrasi industri, yang meliputi  pemrosesan, pengawetan makanan, penyerapan kalor dari bahan-bahan kimia,  perminyakan, dan industri perminyakan. Dan pada kegunaan khusus yaitu pada industri manufaktur dan konstruksi. Ir. Henry Nasution, MT  Jurusan Teknik Mesin – Uni versitas Bung Hatta  1

Upload: karapuak008

Post on 06-Jul-2015

73 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Teknik Pendingin BAB I PENDAHULUAN Perkembangan siklus refrigerasi dan perkembangan mesin refrigerasi (pendingin) merintis jalan bagi pertumbuhan dan penggunaan mesin penyegaran udara (air conditioning). Teknologi ini dimulai oleh Cagniard de la Tour (Perancis, 1823) yang melakukan penelitian tentang keadaan kritis dan gas eter. Kemudian dilanjutkan oleh Humphrey Dary dan asistennya M.Faraday (Inggris, 1824), merupakan orang pertama yang berhasil menemukan cara mencairkan gas ammonia. Prinsip dasar silus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S. Carnot (Perancis, 1824). Selanjutnya Joseph Mc.Creaty (Amerika, 1897), yang pertama membuat instalasi pendingin yang dinamai mesin pencuci udara (air washer), yaitu suatu sistem pendingin yang mempergunakan percikan air. Sedangkan Dr. Willis Hariland Carier (Amerika, 1906) dan kemudian dipatenkan pada tahun 1911, membuat alat pengatur temperatur dan kelembaban udara. Penyegaran udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan yang dipersyaratkan terhadap kondisi udara dari suatu ruang tertentu. Selain itu, mengatur aliran udara dan kebersihannya. 1.1. Penerapan Refrigerasi dan Pengkondisian Udara Bidanga refrigerasi dan pengkondisian udara salaing berkaitan satu sama lainnya, tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda. Penerapan teknik refrigerasi yang terbanyak adalah pada refrigrasi industri, yang meliputi pemrosesan, pengawetan makanan, penyerapan kalor dari bahan-bahan kimia, perminyakan, dan industri perminyakan. Dan pada kegunaan khusus yaitu pada industri manufaktur dan konstruksi.

1 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Aplikasi teknik refrigerasi dan pengkondisian udara, meliputi : Pengkondisian udara berukuran sedang dan besar. Pengkondisian udara untuk kebutuhan industri Penghangatan setempat (spot heating) Pendinginan setempat (spot cooling) Laboratorium lingkungan Tekstil Instalasi tenaga (power plant) Ruang komputer, dll Pengkondisian udara untuk tempat tinggal Pengkondisian udara untuk kendaraan Penyimpanan dan pendistribusian bahan makanan Pembekuan Ruang penyimpanan Distribusi Pemrosesan makanan Produk susu Bahan minimuman Industri kimia dan proses Pemisahan gas Pengembunan gas Penghilangan kalor reaksi, dll Penggunaan khusus refrigerasi Wadah minuman Penurunan kelembaban Pembuatan es Penawat air laut Sedangkan aplikasi refrigerasi pada temperatur rendah ( 123 K atau 150oC) lebih dikenal dengan teknik kriogenik, seperti memproduksi gas industri (dengan memisahkan udara menjadi Nitrogen dan Oksigen), gas alam cair, dan usaha2 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin pencapaian temperatur rendah yang mendekati nol absolut. Aplikasi teknik kriogenik banyak dipergunakan pada bidang kedokteran, pesawat ruang angkasa, material, elektronika dan lain-lain. 1.2. Sifat-Sifat Termodinamika Sifat adalah karakteristik yang dimiliki oleh zat, yang dapat ditentukan besarnya seperti tekanan, temperatur, rapat massa dan volume spesifik, kalor spesifik, entalpi, entropi, dan sifat cair-uap dari suatu keadaan. Kerja dan Panas bukan merupakan sifat, karena keduanya adalah suatu yang diperlukan pada suatu sistem untuk menghasilkan berbagai perubahan sifat. Terjadinya perpindahan energi sebagai kerja dan panas dapat dibuktikan oleh adanya berbagai perubahan sifat tetapi besarnya perpindahan energi mempunyai hubungan dengan cara terjadinya perubahan tersebut. 1.2.1. Tekanan dan Temperatur Telah diketahui bahwa udara di atmosfir ini mempunyai berat. Karenanya maka udara tersebut bisa menimbulkan tekanan pada permukaan bumi. Rapat masa udara tidak konstan, yang tergantung pada ketinggian, temperatur dan kelembaban. Oleh karena itu tekanan atmosfir, yang disebabkan oleh berat atmosfir atau udara diatas permukaan bumi, sulit atau tidak dapat dihitung. Tekanan atmosfir dapat diukur berdasarkan tinggi kolom zat cair yang bisa ditahan. Di permukaan laut, tekanan yang ditimbulkan oleh kolom udara seluas 1 cm2 dan setinggi atmosfir adalah 1,03 kg. Dengan demikian tekanan atmosfir pada permukaan air laut adalah 1,03 kg/cm2 atau setara dengan 10,3 m air atau 76 cm air raksa (Hg). Tekanan atmosfir akan berkurang dengan elevasi atau ketinggi tempat. Gambar.1.1 menunjukkan ketiga tekanan, yaitu tekanan atmosfir, tekanan terukur dan tekanan mutlak :

3 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin

Tekanan terukur (+) Tekanan Tekanan atmosfir Tekanan terukur (-) Tekanan absolut

Tekanan atmosfir Tekanan absolut Nol Absolut

Gambar.1.1 Tekanan atmosfir, terukur dan absolut Tekanan terukur atau tekanan relatif adalah tekanan yang diukur berdasarkan tekanan atmosfir. Tekanan ini bisa lebih besar (tekanan positif) atau lebih kecil (tekanan negatif atau vakum) dari tekanan atmosfir. Sedangkan tekanan absolut atau tekanan mutlak atau tekanan sebenarnya adalah merupakan jumlah dari tekanan atmosfir dan tekanan terukur. Apabila tekanan terukur negatif maka tekanan mutlak adalah tekanan atmosfir dikurangi tekanan terukur. Temperatur berkaitan dengan energi atau perpindahan energi. Gagasan ini lebih merupakan sebagai penunjukkan arah perpindahan energi sebagai panas. Energi cendrung untuk berpindah sebagai panas dari berbagai daerah bertemperatur tinggi ke berbagai daerah yang bertemperatur rendah Skala temperatur yang paling umum dipakai dalam pengukuran adalah Fahrenheit dan Celsius. Skala ini mempergunakan spesifikasi jumlah inckrements antara titik beku dan titik didih air pada tekanan atmosfir. Skala Celsius mempunyai 100 unit antara kedua titik tersebut, sedangkan skala Fahrenheit memiliki 180 unit. Temperatur absolut skala Celsius disebut dengan skala Kelvin, sedangkan temperatur absolut skala Fahrenheit disebut Rankine. Kedua skala absolut didefenisikan agar dapat sedekat mungkin dengan skala temperatur absolut termodinamik. Titik nol dari kedua skala terdapat pada keadaan fisik yang sama dan4 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin perbandingan kedua harga adalah sama, tanpa memperhatikan skala absolut yang dipergunakan. Ini dapat diperhatikan pada persamaan berikut : T2 T 1 T = 2 Rankine T1 Kelvin

Dalam hal ini titik didih air ditetapkan sebagai temperatur 100 0C dan 212 0F. Korelasi antara skala ini dapat dilihat pada gambar.1.2 dibawah ini. Selanjutnya antara 0F dan 0C terdapat korelasi menurut persamaan berikut :0 0

F = 32 + (9/5 . 0C) R = 9/5 . 0K0

K 373,15

C

0

F

0

R

100

212,0

671,67

273,15 233,15 173,15

0 - 40 -100

32,0 - 40 - 148

491,67 419,67 311,67

Gambar.1.2 Hubungan antara skala temperatur 1.2.2. Rapat Massa, Volume Spesifik, dan Kalor Spesifik Rapat massa () didefenisikan sebagai massa fluida per satuan volume pada temperatur dan tekanan tertentu. Rapat massa pada suatu titik ditulis dalam bentuk matematis :Massa (M) , kg Volume (V), m3

M V

=

M lim V 0 V

(kg/m3)

5 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Sebaliknya, volume spesifik (v) adalah volume yang diisi oleh satu satuan massa. Rapat massa dan volume spesifik saling berkaitan satu sama lain. Kalor spesifik, adalah jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu satuan massa bahan tersebut sebesar 1 K. Oleh karena itu besaran ini dipengaruhi oleh cara proses berlangsung dan cara kalor yang dilepaskan. Dua besaran yang umum adalah kalor spesifik pada volume konstan (cv) dan kalor spesifik pada tekanan konstan (cp). 1.2.3. Entalpi dan Entropi Entalpi adalah jumlah kalor yang diberikan atau dilepaskan per satuan massa yang ditimbulkan melalui proses dengan tekanan tetap dan meniadakan kerja yang dilakukan. Dalam analisa termodinamika, kombinasi energi dalam (U) dan kerja aliran (pV) atau U + pV sering terjadi, kombinasi ini diberi simbol (H), maka dengan demikian : H = U + pV bila ditulis per satuan massa akan berbentuk : h = u + pv Tiap besaran pada ruas kanan dari persamaan diatas adalah sifat zat, jadi entalpi merupakan sifat zat. Dari persamaan hukum termodinamika pertama, yaitu : dQ = dU + dW dQ = dU + p.dv karena : d(p.V) = p.dV + V.dp maka : dQ = dU + d(p.V) V.dp H = U + p.V dQ = dH V.dp pada kondisi khusus dimana proses adalah tekanan konstan, maka : dQ = dH = (c.dT)p

6 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin atau : dQ = H2 H1 = cp.(T2 T1) Sejauh ini gagasan dasar yang esensial bagi konsep entropi telah dikembangkan dan dapat dinyatakan sebagai : Setiap sistem mempunyai entropi, entropi mengukur derajat disorganisasi mikroskopik atau ketidak pastian manusia akan tingkat keadaan mikroskopik. Entropi adalah ekstensif, entropi suatu sistem adalah jumlah berbagai entropi dari bagian-bagiannya. Entropi dapat diproduksi, tetapi tidak pernah dapat dibinasakan, sehingga entropi pada sistem yang diisolasi tidak pernah berkurang. Entropi suatu sistem yang selalu berada pada tingkat keadaan mikroskopik yang unik adalah nol. Walaupun entropi yang biasa diberi simbol (s) memiliki arti dan filosofi, tetapi sifat ini hanya akan digunakan dalam hal yang khusus dan terbatas. Entropi terdapat dalam banyak grafik dan tabel sifat bahan dan dibicarakan disini agar dapat dikenal. Kemungkinan penggunaan praktis entropi yang terbanyak adalah untuk mambaca garis entropi konstan pada grafik ketika menghitung kerja dari siklus refrigerasi kompresi uap. 1.2.4. Sifat Keadaan Telah diketahui bahwa zat memiliki beberapa fasa, misalnya air (H2O) dapat berbentuk cairan, gas (uap air) atau padat (es). Fasa didefenisikan sebagai sejumlah zat yang seluruhnya bersifat homogen. Jadi bila suatu sistem mempunyai susunan kimia dan keadaan fisik yang merata (uniform), maka zat itu dapat dikatakan terdiri dari satu fase. Bila beberapa fasa terdapat bersamaan maka tiap fasa dipisahkan satu sama lain oleh permukaan batas fase. Dalam tiap fase, suatu zat dapat dimiliki temperatur dan tekanan yang berbeda beda. Didalam termodinamika kondisi seperti ini dikatakan zat tersebut mempunyai beberapa tingkat keadaan. Tiap tingkat keadaan dapat dinyatakan dalam sifat makroskopik yang mudah diamati.7 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Tiap sifat pada tiap tingkat keadaan hanya memiliki satu harga, dan sifat ini tidak tergantung pada apa yang dialami oleh zat itu sebelumnya, ataupun cara untuk mencapai keadaan zat pada saat tersebut. Dari sini dapat dinyatakan sifat zat sebagai suatu besaran yang hanya tergantung pada sistem dan tidak tergantung pada cara yang dilalui (dialami) oleh sistem dalam mencapai suatu tingkat keadaan yang tertentu. Sebaliknya tingkat keadaan suatu sistem dinyatakan oleh sifat zat. Oleh karena itu perubahan harga suatu sifat hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir suatu sistem. Sifat-sifat termodinamika terdiri dari : Sifat Intensif. Sifat yang tidak tergantung pada massa zat, seperti : Tekanan, Temperatur, massa jenis, volume jenis, entalpi jenis, entropi jenis, dll. Sifat Ekstensif. Sifat zat yang tergantung pada massa zat, seperti : massa, volume, dll. Sifat ekstensif per satuan massa akan menjadi sifat intensif. 1.2.5. Proses-Proses Termodinamika Proses adalah perubahan sistem dari suatu keadaan ke keadaan yang lain. Atau dapat juga didefensikan sebagai perubahan keadaan, perubahan sifat fisis, tidak tergantung dari cara perubahannya, dihitung berdasarkan titik-titik pada ujungnya (point function) bukan berdasarkan lintasannya (path function). Proses Reversibel dan Ir-reversibel Proses reversibel adalah suatu proses yang setelah berlangsung, arahnya dapat dibalik kembali ke kondisi semula tanpa meninggalkan bekas pada sistem dan lingkungan, atau suatu proses yang jika arahnya dibalik akan tetap melalui lintasan yang sama (berimpit), begitu pula sebaliknya dengan proses ir-reversibel. Proses Volume Konstan (isovolum atau isokoris) Volume spesifik akhir = volume spesifik awal proses.

8 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Misalnya : Pendinginan uap air jenuh di dalam sebuah tangki tertutup :T 200 oC 100 oC 1 2 V V 2 = V1

Pemanasan udara di dalam ruang tertutup :

Udara Q

V 2 = V1 cv konstan

Pemanasan air jenuh di dalam sebuah tangki tertutup :T 2 1 V

Proses Tekanan Konstan Tekanan akhir sistem = tekanan mula-mula (isobaris). Misalnya : Ekspansi gas nitrogen di dalam silinder berpiston :

N2 1 2

P1 = P2

9 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Pendinginan campuran air dan uap air sehingga menjadi air jenuh :T

2

1

P=k

P2 = P1

s

Proses Temperatur Konstan (isotermis) Tawal = Takhir Ekspansi/kompresi gas di dalam silinder berpiston :T P2 P1

s

Proses Adiabatis Proses adiabatik adalah suatu proses dimana tidak ada panas yang dipindahkan dari atau ke sistem sepanjang proses berlangsung, jadi Q = 0. Proses ini dapat terjadi bila pada pembatas sistem diberi sekat (isolator) penahan aliran panas. Namun walaupun sistem tidak disekat, asalkan laju energi total di dalam sistem jauh lebih besar dibandingkan dengan energi yang dimasukkan atau dikeluarkan ke lingkungannya dalam bentuk panas, maka proses masih dapat dikatakan adiabatik.

10 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Misalnya : Ekspansi/kompresi gas di dalam selinder yang berpiston :T 1 2 2 s2 = s1

1 T1=c

T2=c v

Proses Energi Dalam Konstan Proses perubahan keadaan sistem tanpa perpindahan panas dan tanpa kerja (u2 = u1).P.vn = konst P v = konst n= P = konst n=0 T = c, n = 1 S = c, n = k v S=c v T v=c P=c T=c

Proses isotermis, T = c, n = 1 Proses isobaris, P = c Proses isovolume, v = c Proses adiabatis, n = k = cp/cv Proses politropis, n = n

11 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin 1.3. Mekanisme Perpindahan Panas Panas didefenisikan sebagai bentuk energi yang berpindah antara dua sistem (atau suatu sistem dan sekelilingnya) yang dikarenakan perbedaan temperatur. Sedangkan dalam kehidupan sehari-hari, panas sering digunakan untuk mengartikan tenaga dalam (internal energi), yaitu kandungan panas dari bahan bakar, kenaikan panas, burung menyimpan panas dibadannya, dan sebagainya. Dalam termodinamika, panas dan energi dalam adalah dua hal yang berbeda, energi adalah suatu sifat tetapi panas bukan sifat. Suatu benda mengandung energi tetapi bukan panas, energi berhubungan dengan suatu keadaan sedangkan panas berhubungan dengan proses. Maka dalam termodinamika panas tersebut berarti heat transfer. Heat transfer (perpindahan panas) adalah perpindahan energi sebagai hasil dari perbedaan temperatur. Adapun mekanisme perpindahan panas, terdiri atas : Konduksi, Konveksi (konveksi paksa dan konveksi bebas) dan Radiasi. 1.3.1. Konduksi Konduksi adalah difusi energi akibat dari pergerakan acak molekuler.T1 T1 > T2 T2

qx = - k

dT dx

x

dT T2 T1 T = = dx L L

qx adalah fluks panas, laju perpindahan panas dalam arah x per satuan luas yang tegak lurus pada arah perpindahan dan sebanding dengan gradien temperatur (dT/dx) pada arah itu. Tanda minus menunjukkan konsekuensi pada kenyataannya bahwa panas dipindahkan dari temperatur tinggi ke rendah. Sedangkan simbol k menunjukkan arti sifat transport yang dikenal sebagai konduktifitas termal dan merupakan karakteristik material dinding.

12 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin 1.3.2. Konveksi Konveksi didefenisikan sebagai difusi energi akibat dari pergerakan acak molekuler ditambah perpindahan energi dari pergerakan makroskopik (fluida).Ts > T Arah gerakan fluida, T q T surface

q = h. (Ts - T)

Perpindahan panas konveksi sebagai perpindahan energi terjadi dalam fluida akibat dari efek kombinasi dari konduksi dan pergerakan kasar fluida. q adalah fluks panas konveksi, adalah perbandingan luas dengan perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida untuk masing-masing Ts dan T. Sedangkan h, koefisien perpindahan panas, tergantung pada dimensi permukaan, kecepatan aliran, sifat primer fluida (, , cp, k), sifat sekunder (kecepatan suara, koefisien volumetrik ekspansi), percepatan gravitasi dan perbedaan temperatur. 1.3.3. Radiasi Radiasi adalah perpindahan energi oleh gerakan gelombang elektromagnetik. Pada perpindahan panas konduksi dan konveksi memerlukan adanya media, sedangkan pada perpindahan panas radiasi tidak diperlukan dan pada ruang hampapun proses ini dapat terjadi.T1 q1 q2 T2

Persamaan radiasi : q = . Ts4

13 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin Persamaan diatas disebut juga dengan hukum Stefan-Boltzman, dengan = 5,67x10-8 W/m2.K4. Permukaan dimaksud adalah sama dengan permukaan benda hitam (sebagai radiator ideal). Jika fluks panas diemisikan dari permukaan nyata arau riil : q = . . Ts4 dengan : : sifat radiatif permukaan (emisivitas) atau sifat yang menunjukkan seberapa besar efisien permukaan untuk mengemisikan bila dibandingkan pada radiator ideal. 1.4. Prinsip Kekekalan Massa dan Persamaan Energi Prinsip Kekekalan Massa Massa adalah suatu konsep yang mendasar, karena itu tidak mudah untuk didefenisikan. Defenisi massa sering dirumuskan dengan merujuk pada hukum Newton yaitu : Gaya = massa x percepatan Gaya = m x a = m x dV dt

Suatu benda yang dikenai oleh gaya yang tidak seimbang akan mendapat percepatan yang besarnya tergantung pada besarnya gaya tersebut. Massa dari dua benda yang disatukan adalah jumlah dari masing-masing massa benda tersebut dan bahwasanya pembelahan benda homogen menjadi dua bagian yang sama akan menghasilkan dua benda yang bermassa sama, yang masing-masing setengah dari massa benda semula. Pada gambar.1.3 dapat diperhatikan bahwa massa di dalam sistem dapat berubah menurut waktu selama massa tersebut mengalir masuk atau keluar dari sistem. Anggap bahwa selama d, massa m1 memasuki sistem dan massa m2 meninggalkan sistem. Jika massa di dalam sistem selama waktu adalah m dan pada waktu + adalah m+ maka hukum kekekalan massa menyatakan bahwa : m + m1 = m + + m2

14 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin

1 m1

m2 m2

Gambar.1.3 Kekekalan massa di dalam sebuah sistem aliran sederhana pembagian dengan menghasilkan : m + m

+

m2 m1 =0

bila laju aliran massa dinyatakan dengan : m=o

m

jika perubahan yang terjadi setiap saat adalah :o dm o + m 2 m1 = 0 d

Pada kebanyakan sistem refrigerasi dan pengkondisian udara, laju aliran massa tidak berubah dari waktu ke waktu (kalaupun ada hanya perubahan kecil), karena itu aliran dapat dianggap steady atau mantap.Bila laju perubahan massa di dalam sistem adalah nol, maka : m1 = m 2 dano o

dm = 0. d

Persamaan Energi Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa : besarnya energi yang masuk bersama aliran ditambah dengan besarnya energi berupa kalor dikurangi dengan besarnya energi dalam bentuk kerja dan dikurangi dengan energi yang meninggalkan sistem pada sisi keluar sama dengan besarnya perubahan energi di dalam volume atur. Pada gambar.1.4 dapat diperhatikan sistem aliran steady antara sisi masuk dan keluar dari sistem :

15 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin1 2

System boundary

wkout

p1, A1,m1,v1,u1flow in

p1 V1

wkin System qinp2, A2,m2,v2,u2 p2 flow out V2

l1

Z1

qout Datum

l2Z2

Gambar.1.4 Flow work steady flow system Bahagian.1 : wk = force x distance = (P1A1)(l1), dimana v1 = A1l1 (specific volume) = P1v1 (ft lbf/lbm of fluid) Kerja pada bahagian.1 dan bahagian.2 adalah : wknet = P2v2 P1v1 Berdasarkan hukum kekekalan energi, dari gambar diatas dapat kita nyatakan bahwa : Massa dari fluida didalam sistem harus sama, jika 1 lbm fluida masuk ke dalam sistem maka harus sama dengan massa keluar dari sistem pada waktu yang sama. Tekanan, temperatur, volume spesifik dan kecepatan aliran semuanya konstan terhadap waktu pada bahagian masuk sistem. Jumlah nilai parameter tersebut harus sama dengan nilai pada sisi keluarnya. Transfer energi (panas dan kerja) yang masuk atau keluar dari pada batas sistem (system boundary) harus konstan. Berdasarkan defenisi diatas maka laju aliran masuk pada bahagian.1 adalah : m1 = A1V11o

16 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

Teknik Pendingin dengan : m1 A1 V1 1o

: laju aliran massa (lbm/sec, kg/sec) : luas permukaan sisi masuk (ft2, m2) : kecepatan aliran (ft/sec, m/s) : rapat massa fluida (lbm/ft3, kg/m3)

Dengan demikian laju aliran massa fluida yang meninggalkan system adalah : m 2 = A2V22 Selama laju aliran massa fluida pada sisi masuk dan keluar system sama, maka : m1 = m 2 = A1V11 = A2V22 karena fluidanya adalah incompressible (tak mampu mampat), maka 1 = 2 sehingga menjadi : Q = A1V1 = A2V2 = AV (disebut juga sebagai persamaan kontinuitas) Dari gambar.4 diatas, dapat juga ditulis persamaa energi saat masuk dan keluar dari sistem : Z1 g J gc V12 P1v1 Z2 g 1 wk 2 + 2 g J + u1 + J 1 q 2 J = J g c c V22 P2 v 2 + 2g J + u2 + J c o o o

Dimana J = 778 ft lbf/Btu sebagi faktor pengali, dan akan memperoleh enegi mekanik sehingga persamaan diatas menjadi : g Z1 g c kembali : Z1 g J gc dengan : P v : tekanan static (lbf/ft2, N/m2) : volume spesifik (ft3/lbm, m3/kg)17 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta

V12 g + + 778u1 + P1v1 7781 q 2 1 wk 2 = Z 2 2g g c c

V22 + 2 g + 778u 2 + P2 v 2 c

Diketahui bahwa entalpi (h) adalah u + Pv, sehingga persamaan diatas dapat kita tulis V12 Z2 g 1 wk 2 + 2 g J + h1 1 q 2 J = J g c c V22 + 2 g J + h2 c

Teknik Pendingin V g gc Z Wk h q : kecepatan rata-rata aliran (ft/sec, m/s) : percepatan gravitasi local (ft/sec2, m/s2) : konstan (32,2 lbm ft/lbf sec2, 1 kgm/Ns2) : ketinggian (ft,m) : kerja (ft lbf/lbm, J/kg) : entalpi (Btu/lbm, J/kg) : transfer energi dalam bentuk panas (Btu) = u2 u1 + 1

wk 2 J

: menunjukkan arah dari pada proses, positiv berarti proses memerlukan energi sedangkan tanda negative berarti proses melepaskan energi, energi dapat dalam bentuk kerja atau panas.

18 Ir. Henry Nasution, MT Jurusan Teknik Mesin Universitas Bung Hatta