SIKLUS-SIKLUS TERMODINAMIKA PRAKTIS Lingkup Pembahasan

Uraian tentang siklus-siklus termodinamika yang sering dimanfaatkan dalam praktek teknik kimia

Pokok Bahasan: siklus termodinamika penghasil kerja (heat engines) dan siklus refrijerasi.

A. Siklus termodinamika penghasil kerja (heat engines) Prinsip kerja secara umum: pengubahan sejumlah energi

panas yang diserap oleh fluida kerja pada suatu tahap/langkah tertentu dari siklus, menjadi energi mekanik (kerja) sejumlah tertentu, sehingga Wtotal = (-).

Mesin-mesin yang memanfaatkan siklus ini dalam pengoperasiannya sering dikenal sebagai mesin panas (heat engines).

Klasifikasi siklus penghasil kerja1. Berdasar terjadi atau tidaknya perubahan fase dari fluida

kerja, terdiri dari:1.a. Siklus dengan fluida kerja mengalami perubahan fasa.

Contoh: siklus Rankine (steam power plant atau steam engine).

1.b. Siklus dengan fluida kerja tidak mengalami perubahan fasa.

Contoh: siklus Otto (gasoline engine), siklus Diesel udara standard – siklus dual (Diesel engine), siklus Joule dan Brayton (gas

turbine) dan siklus turbojet (jet engine).2. Berdasar jenis sistem atau proses, terdiri dari:

2.a. Siklus yang dilakukan dalam sistem tertutup/nonflow process (siklus Otto dan siklus Diesel udara standard – siklus dual) 2.b. Siklus yang dilakukan sebagai sistem terbuka/flow process (siklus Rankine, siklus Joule dan Brayton, dan siklus turbojet).

Unjuk kerja dari siklus-siklus penghasil kerja (heat engines) dinyatakan dengan parameter efisiensi siklus, yang pada dasarnya merupakan bentuk lain dari efisiensi termal.

H

CH

H

nett Q

QQQW

A.1. Steam Power Plant – Steam Engine Steam power plant – steam engine terdiri dari 4 alat utama:

1.Turbin berfungsi untuk mengekspansikan uap air lewat panas yang dihasilkan oleh boiler (super heater) secara adiabatik,

2.Kondenser berfungsi sebagai pengubah fasa secara isobar dari uap air hasil ekspansi turbin sehingga diperoleh uap

air dalam kondisi cair jenuh, 3.Pompa (bekerja secara isentropik) adalah alat transportasi dan peningkat tekanan terhadap air hasil kondensasi agar dicapai tekanan operasi boiler, 4.Boiler (super heater) merupakan alat pembangkit uap air

yang dioperasikan pada tekanan konstan, untuk mengasilkan uap air umpan turbin.

Tahapan ProsesSteam power plant (steam engine) Standar

Diagram T-S siklus Rankine

Penentuan efisiensi siklus Rankine

41

3412

hhhhhh

QWW

H

PTt

41

3421

hhhhhh

t

atau

Kerja pompa juga dapat ditentukan dengan pendekatan: 344 PPvWP

H

Csiklus Q

Q1atau

A.2. Siklus Otto Siklus Otto merupakan siklus termodinamika penghasil kerja

yang dimanfaatkan pada produksi kerja pada mesin bensin. Pada analisis termodinamika terhadap siklus Otto, untuk

menyederhanakan analisis, fluida kerja dianggap hanya berupa udara, tanpa melibatkan gas-gas hasil pembakaran (CO2, H2O, CO, NOX, SOX, dan gas lainnya yang mungkin terbentuk). Siklus Otto yang demikian dikenal sebagai siklus Otto udara standard (air-standard Otto cycle).

Fluida kerja pada siklus Otto (berupa udara), selama mengalami perlakuan siklis dapat dianggap sebagai gas ideal, dan tidak mengalami perubahan fasa.

Pada siklus Otto ideal, fluida kerja mengalami empat tahap perlakuan reversibel siklis, yang digambarkan dalam diagram P-V adalah sebagai berikut:

V

P

A

C

DB

Siklus Otto udara standard

Qin

Qout

DA

CBt TT

TT

1

Penentuan efisiensi siklus Otto udara standar

DA

CB

DA

CB

D

Ct PP

PPr

PPPP

VV

11atau

dengan r adalah rasio kompresi, dimana r = VC/VD 11

1

rtatau dengan adalah tetapan Laplace

A.3. Siklus Diesel Mesin Diesel memiliki perbedaan utama dibandingkan

dengan mesin Otto dalam hal bahwa temperatur akhir kompresi pada mesin Diesel cukup tinggi untuk meng-inisiasi agar pembakaran dapat berlangsung secara spontan.

Siklus Diesel merupakan siklus termodinamika penghasil kerja yang dimanfaatkan pada produksi kerja pada mesin Diesel/solar.

Pada siklus Diesel ideal, fluida kerja (udara, dianggap sebagai gas ideal) mengalami empat tahap perlakuan reversibel siklis, yang digambarkan dalam diagram P-V adalah sebagai berikut:

V

P

A

C

D

B

Siklus Diesel udara standard

Qin

Qout

Penentuan efisiensi siklus Diesel udara standar

DA

CB

DAP

BCV

DA

BCDAt TT

TTTTCTTC

QQQ

1

11

DA

DeAt TT

rTrT 11 1111

rrrr

e

et 11

1111

atau,

atau

Dengan: r adalah rasio kompresi, dimana r = VC/VD re adalah rasio ekspansi, dimana re = VB/VA

A.4. Siklus Joule dan Brayton (turbin gas) Siklus Joule merupakan siklus turbin gas pada sistem

tertutup, sedangkan siklus dilakukan pada sistem terbuka disebut sebagai siklus Brayton.

Siklus turbin gas standar terdiri dari :1. kompresi isentropik terhadap udara (sebagai fluida kerja) di dalam sebuah kompresor (A-B), 2. pemanasan pada tekanan konstan dalam ruang bakar

(B-C), 3. ekspansi isentropik melalui sebuah turbin (C-D), dan4. pendinginan pada tekanan konstan (D-A).

Ilustrasi siklus turbin gas dan perubahan-perubahan kondisi udara sebagai fluida kerja yang mengalami perlakuan siklis dalam suatu siklus ideal turbin gas pada diagram P-V ditunjukkan pada gambar berikut:

Kompresor Turbin

QH

QC

(WK)(WT)

A

B C

D

(a)

V

P

A

C

D

B

(b)

Injeksi bahan bakar

(a) Siklus turbin gas;(b) Diagram P-V siklus

ideal turbin gas

Penentuan efisiensi siklus turbin gas standar

BC

AD

BCP

DAP

BC

DABCt TT

TTTTCTTC

QQQ 11

B

At T

T1atau

1

1

B

At P

Patau,

B. Siklus Refrijerasi Istilah “refrijerasi” menyatakan perlakuan terhadap

temperatur di bawah temperatur lingkungan. Aplikasi refrijerasi di kehidupan keseharian antara lain:

pengkondisian udara pada bangunan/gedung, pengkondisian udara pada alat transportasi, dan pengkondisian udara untuk keperluan pengawetan makanan dan minuman.

Aplikasi refrijerasi di industri skala besar, seperti: pada pemurnian minyak pelumas di industri minyak bumi, pada reaksi-reaksi temperatur rendah, pencairan gas alam, dan pada pemisahan hidrokarbon volatil.

Pada siklus refrijerasi, fluida kerja yang dikenal sebagai refrijeran, mengalami perlakuan siklis sehingga memungkinkan dilangsungkannya penyerapan panas pada temperatur rendah.

Ada 2 jenis siklus refrijerasi: siklus uap kompresi (vapor-compression cycle) dan siklus refrijerasi absorbsi (absorption refrigeration cycle).

Perbedaan mendasar dari kedua jenis siklus refrijerasi tersebut adalah dalam hal memperoleh kondisi refrijeran uap tekanan tinggi.

Refrijeran pada siklus uap kompresi, mengalami 4 perlakuan siklis dalam suatu sistem terbuka, yaitu: 1. evaporasi pada tekanan konstan di dalam sebuah evaporator (langkah 1 – 2), 2. peningkatan tekanan (kompresi) oleh kompresor adiabatik

(langkah 2 – 3). Proses kompresi mungkin didekati sebagai proses isentropik, namun pada kasus aktual berupa kompresi adiabatik ireversibel,

Refrijeran pada siklus uap kompresi (cont’): 3. pendinginan dan pengubahan fasa dalam desuperheater

dan kondenser yang dilangsungkan pada tekanan konstan (langkah 3 – 4), 4. ekspansi refrijeran cair jenuh untuk dicapai tekanan operasi evaporator (langkah 4 – 1). Pada langkah ekspansi ini, dimungkinkan untuk mengekstrak sejumlah kerja tertentu. Namun untuk alasan praktis, ekspansi dilakukan secara isentalpi.

Kondenser

Evaporator

Ekspander Kompresor

1

4 3

2

(a) (b)

Ukuran unjuk kerja dari siklus refrijerasi, dan juga untuk siklus-siklus atau mesin yang merupakan inverse dari mesin panas (heat engines) lainnya, dinyatakan dengan suatu parameter yang disebut coefficient of performance (COP).

COP dari siklus refrijerasi: rasio antara efek pendinginan yang mampu dihasilkan pada tahap evaporasi refrijeran terhadap jumlah kerja yang harus dimasukkan pada tahap kompresi.

Penentuan COP pada siklus refrijerasi:

32

21

WQ

COP 23

12

hhhh

COP

atau

Kuantitas efek pendinginan suatu siklus refrijerasi disebut kapasitas refrijerasi.

Kapasitas refrijerasi dari alat-alat refrijerasi USA umumnya bersatuan ton refrijerasi.

1 ton refrijerasi: penyerapan panas atau efek pendinginan di evaporator dengan laju 12.000 Btu/jam atau 11.376 kJ/jam.

Definisi 1 ton refrijerasi didasarkan pada pendekatan: besarnya laju pembuangan panas yang dibutuhkan untuk membekukan 1 ton air pada temperatur 32oF (0oC), per hari.

12 hhrefrijeranmirefrijerasKapasitas

SOAL LATIHAN:1. An air standard Diesel cycle absorbs 1,500 J mol-1 of heat. The

pressure and temperature at beginning of the compression step are 1 bar and 20oC, and pressure at the end of the compression step is 4 bar. Assuming air to an ideal gas for which CP = (7/2)R and CV = (5/2)R, what are the compression ratio, expantion ratio and thermal efficiency of the cycle?

2. Dalam suatu steam power plant yang beroperasi berdasarkan siklus Rankine, uap air memasuki turbin pada 65 bar dan 525oC. Setelah mengalami ekspansi di dalam turbin, tekanan uap air ke luar turbin menjadi 101,33 kPa. Daya yang mampu dihasilkan oleh steam power plant tersebut adalah 50 MW. Diketahui bahwa efisiensi turbin dan pompa pada saat itu masing-masing sebesar 78% dan 75%. Tentukan: efisiensi siklus (dalam %), laju alir massa uap air (dalam ton/jam), kualitas uap keluar turbin, dan gambarkan sketsa proses siklis dari uap air dalam diagram P-V dengan parameter T dan diagram T-S dengan parameter P!

3. Siklus refrijerasi dengan metan sebagai refrijeran digambarkan dengan sketsa proses berikut:

Evaporator (or boiler)

Compressor

Condenser

1 4

3 2

Expansion valve

Arus 1 dalam kondisi uap jenuh pada 2,5 bar. Kompresor adiabatik bertugas untuk meningkatkan tekanan arus 1 sampai diperoleh kondisi arus 2 berupa superheated vapor pada 20 bar dan 250 K. Arus 3 berupa cair jenuh. Evaporator dan kondenser beroperasi pada tekanan konstan. Sedangkan valve ekspansi bekerja secara isentalpi. Kapasitas siklus refrijerasi tersebut diinginkan sebesar 15 ton refrijerasi.

Soal no. 3:3.a Gambarkan siklus refrijeran pada diagram P-H!3.b Hitung laju alir massa refrijeran yang dibutuhkan (dalam

kg/jam)!3.c Hitung efisiensi kompresor (dalam %) dan daya kompresor

yang dibutuhkan (dalam kW)!3.d Tentukan laju perpindahan panas di evaporator dan

kondenser (dalam kW)!3.e Tentukan Coefficient of Performance (COP) siklus refrijerasi

tersebut

Diagram P-H Penyelesaian Soal No. 2

1

23

4

2’