BAB 9

PENDINGINAN DAN PENCAIRAN

Pendinginan terkenal karena penggunaannya di AC pada bangunan dan dalam

proses pengobatan, transportasi, dan mengawetkan makanan dan minuman. Hal ini juga

dapat di aplikasi pada industri skala besar, misalnya, dalam pembuatan es dan dehidrasi

gas. Aplikasi dalam industri perminyakan termasuk pemurnian pelumas-minyak, reaksi

suhu rendah, dan pemisahan hidrokarbon yang mudah menguap. Sebuah proses yang

terkait erat adalah pencairan gas memiliki aplikasi komersial yang penting. Tujuan Bab

ini adalah untuk menyajikan sebuah analisis termodinamika pendinginan dan pencairan

proses. Namun, rincian dari desain peralatan dapat dilihat pada buku desain peralatan

khusus. 'Kata pendingin menyiratkan pemeliharaan suhu di bawah rata rata suhu

lingkungan. Hal ini memerlukan penyerapan terus menerus panas pada tingkat suhu

rendah, biasanya dilakukan dengan penguapan cairan dalam proses steady-state. Uap

yang terbentuk dapat kembali ke keadaan cair aslinya untuk dievaporasi ulang dalam

salah satu dari dua cara yang ada. Paling umum, itu hanya dikompresi dan kemudian

dipadatkan. Atau, mungkin diserap oleh cairan dari volatilitas yang rendah, dimana

kemudian diuapkan pada tekanan yang lebih tinggi. Sebelum proses pendinginan

praktis, kita mempertimbangkan Siklus Pendingin Carnot, yang memberikan standar

perbandingan.

9.1. Pendingin Carnot

Dalam proses pendinginan terus menerus, panas yang diserap pada suhu rendah

secara terus menerus ditolak dengan lingkungan pada suhu yang lebih tinggi. Pada

dasarnya, siklus pendinginan adalah kebalikan dari siklus panas-mesin. Panas ditransfer

dari tingkat suhu rendah ke yang lebih tinggi, sesuai dengan hukum kedua, ini

membutuhkan sumber energi dari luar. Yang ideal pendingin, seperti mesin panas ideal

(Bag. 5.2), beroperasi pada siklus Carnot, yang terdiri dalam hal ini dari dua langkah

isotermal di mana panas | Qc | diserap di bawah suhu Tc dan panas | QH | ditolak pada

keadaan semakin tinggi suhu TH, dan dua langkah adiabatik. Siklus ini membutuhkan

penambahan pekerjaan bersih

W ke sistem. Sejak AU dari fluida kerja adalah nol untuk siklus, hukum pertama tertulis:

Ukuran efektivitas kulkas adalah koefisien kinerja w, didefinisikan sebagai:

Persamaan (9.1) dapat dibagi oleh I Qc I:

Kombinasi dengan Persamaan. (5.7) memberikan:

dan Persamaan. (9.2) menjadi:

Persamaan ini hanya berlaku untuk operasi kulkas pada siklus Carnot, dan memberikan

nilai maksimum yang mungkin dari w untuk setiap kulkas operasi antara nilai-nilai

tertentu TH dan Tc. Ini menunjukkan dengan jelas bahwa efek pendinginan per unit

kerja menurun karena suhu penyerapan panas berkurang Tc dan karena suhu TH

penolakan panas meningkat. Untuk pendinginan pada tingkat suhu 278,15 K (5 ° C)

dalam lingkungan di 303,15 K (30 "C), nilai w untuk kulkas Carnot adalah:

9.2. Siklus Kompresi Uap

Siklus refrigerasi kompresi uap-diwakili dalam Gambar. 9.1. Tampil pada

diagram TS adalah empat langkah proses. Suatu cairan menguap pada tekanan konstan

(line 1 + 2) menyediakan sarana untuk penyerapan panas pada suhu konstan rendah. Uap

yang dihasilkan dikompresi dengan tekanan yang lebih tinggi, dan kemudian

didinginkan dan dikondensasikan dengan penolakan panas pada tingkat suhu yang lebih

tinggi. Cair dari kondensor kembali ke tekanan aslinya oleh proses ekspansi. Pada

prinsipnya, hal ini dapat dilakukan dalam expander yang bekerja diperoleh, tetapi untuk

alasan praktis dilakukan dengan throttling melalui katup terbuka sebagian. Tekanan

penurunan ini hasil proses ireversibel dari gesekan cairan dalam katup. Seperti

ditunjukkan dalam Sec. 7.1, proses throttling terjadi di enthalpy konstan. Dalam

Gambar. 9.1 baris 4-t 1 merupakan proses throttling. Garis putus-putus 2 + 3 'adalah

jalan isentropik kompresi (Gambar 7.6). Jalur 2 - + 3, mewakili proses kompresi

sebenarnya, lereng ke arah peningkatan entropi, mencerminkan irreversibilities melekat.

Atas dasar satu satuan massa fluida, persamaan untuk panas yang diserap dalam

evaporator dan panas yang dibuang di kondensor adalah

Persamaan ini mengikuti dari Persamaan. (2.32) ketika perubahan kecil dalam potensial

dan energi kinetik diabaikan. Karya kompresi hanya:

dan oleh Persamaan. (9.2), koefisien kinerja adalah:

Untuk merancang evaporator, kompresor, kondensor, dan peralatan bantu seseorang

harus mengetahui tingkat sirkulasi refrigerant m. Hal ini ditentukan dari tingkat

penyerapan panas di menguap? oleh persamaan

Siklus-kompresi uap Gambar. 9.1 ditunjukkan pada P H diagram pada Gambar. 9.2.

Diagram tersebut lebih umum digunakan dalam deskripsi proses pendinginan dari

diagram TS, karena mereka menunjukkan secara langsung entalpi yang diperlukan.

Meskipun penguapan dan proses kondensasi yang diwakili oleh jalan-tekanan konstan,

penurunan tekanan kecil memang terjadi karena gesekan fluida.

Untuk nilai yang diberikan Tc dan TH, nilai tertinggi dari w dicapai untuk Carnotcycle

pendingin. Nilai-nilai yang lebih rendah untuk hasil siklus kompresi uap dari ekspansi

ireversibel pada katup throttle dan kompresi ireversibel. Contoh berikut memberikan

indikasi nilai-nilai khas untuk koefisien kinerja.

9.3. Pemilihan Pendingin

Seperti ditunjukkan dalam Sec. 5.2, efisiensi mesin panas Carnot adalah

independen dari media kerja mesin. Demikian pula, koefisien kinerja kulkas Carnot

adalah:

independen refrigeran. Namun, irreversibilities melekat dalam siklus-kompresi uap

menyebabkan koefisien kinerja kulkas praktis untuk tergantung sampai batas tertentu

pada refrigeran. Namun demikian, karakteristik seperti toksisitas, mudah terbakar, biaya,

sifat korosi, dan tekanan uap dalam kaitannya dengan suhu yang lebih penting dalam

pemilihan refrigerant. Jadi udara yang tidak dapat bocor ke dalam sistem pendingin,

tekanan uap refrigeran pada suhu evaporator harus lebih besar dari tekanan atmosfer. Di

sisi lain, tekanan uap pada suhu kondensor tidak boleh terlalu tinggi, karena biaya awal

dan biaya operasi peralatan tekanan tinggi. Kedua persyaratan membatasi pilihan

refrigerant relatif sedikit cairan. Pemilihan akhir kemudian tergantung pada karakteristik

lain yang disebutkan.

Amonia, metil klorida, karbon dioksida, propana dan hidrokarbon lain dapat

berfungsi sebagai refrigeran. Hidrokarbon terhalogenasi mulai umum digunakan sebagai

refrigeran pada 1930-an. Paling umum adalah sepenuhnya terhalogenasi

chlorofluorocarbon, CC13F (triklorofluorometana atau CFC-1 I) ~ nd CC12F2

(diklorodifluorometana atau CFC-12). Molekul yang stabil bertahan di atmosfer selama

ratusan tahun, menyebabkan penipisan ozon yang parah. Produksi mereka telah sebagian

besar berakhir. Penggantian adalah hidroklorofluorokarbon tertentu, kurang dari

sepenuhnya hidrokarbon terhalogenasi yang menyebabkan relatif sedikit penipisan ozon,

dan hidrofluorokarbon, yang tidak mengandung klorin dan tidak menyebabkan

penipisan ozon. Contohnya adalah CHC12CF3 (dichlorotrifluoroethane atau HCFC-

123), CF3CH2F (tetrafluoroetana atau HFC-134a), dan CHF2CF3 (pentafluoro-etana

atau HFC-125). Sebuah diagram pressurelenthalpy untuk tetrafluoroetana (HFC-134a)

ditunjukkan pada Gambar. G.2; Tabel 9.1 menyediakan data saturasi untuk refrigeran

yang sama. Tabel dan diagram untuk berbagai refrigeran lain yang siap a ~ ailabl

Batas ditempatkan pada tekanan operasi dari evaporator dan kondensor dari

sistem pendingin juga membatasi perbedaan suhu TH - TC dimana siklus-kompresi uap

sederhana dapat beroperasi. Dengan TH ditetapkan oleh suhu lingkungan, batas yang

lebih rendah ditempatkan pada tingkat suhu pendingin. Hal ini dapat diatasi dengan

pengoperasian dua atau lebih siklus pendinginan menggunakan refrigeran yang berbeda

dalam kaskade. Sebuah kaskade dua tahap ditunjukkan pada Gambar. 9.3.

Di sini, dua siklus beroperasi sehingga panas yang diserap dalam interchanger

oleh refrigeran dari siklus-suhu yang lebih tinggi 2 berfungsi untuk memadatkan

refrigeran dalam siklus-suhu yang lebih rendah 1. Kedua refrigeran begitu dipilih bahwa

pada tingkat suhu yang diperlukan setiap siklus beroperasi pada tekanan yang wajar.

Sebagai contoh, asumsikan suhu operasi berikut (Gambar 9.3):

Jika tetrafluoroetana (HFC-134a) adalah refrigeran pada siklus 2, maka asupan dan

tekanan debit untuk kompresor sekitar 1,45 bar dan 7.72 bar, dan rasio tekanan sekitar

5.32. Jika propilena adalah refrigeran pada siklus 1, tekanan ini sekitar 1,1 bar dan 4 bar,

dan rasio tekanan sekitar 3.64. Ini semua adalah nilai-nilai yang wajar. Di sisi lain,

untuk siklus operasi tunggal antara 227 K dan 303 K dengan HFC-134a sebagai

refrigeran, tekanan asupan ke kondensor adalah sekitar 0,4 bar, jauh di bawah tekanan

atmosfer. Selain itu, untuk tekanan discharge dari sekitar 7.72 bar rasio tekanan 19,3,

terlalu tinggi nilai untuk kompresor satu tahap.

9.4. Pendinginan Absorpsi

Dalam refrigerasi kompresi uap karya kompresi biasanya diberikan oleh motor

listrik. Tetapi sumber energi listrik untuk motor mungkin mesin panas (pembangkit

listrik pusat) digunakan untuk menggerakkan generator. Dengan demikian pekerjaan

untuk pendinginan berasal akhirnya dari panas pada tingkat suhu tinggi. Hal ini

menunjukkan penggunaan langsung panas sebagai sumber energi untuk pendinginan.

Mesin penyerapan pendingin didasarkan pada gagasan ini. Pekerjaan yang diperlukan

oleh kulkas Carnot menyerap panas pada suhu Tc dan menolak panas pada suhu

lingkungan, Ts sini ditunjuk, mengikuti dari Pers. (9.2) dan (9.3):

di mana saya Qc saya adalah panas yang diterima. Jika sumber panas yang tersedia pada

suhu di atas bahwa dari lingkungan, katakanlah di TH, maka pekerjaan dapat diperoleh

dari operasi mesin Carnot antara temperatur ini dan lingkungan suhu Ts. Panas yang

dibutuhkan saya QHI untuk produksi karya IWI ditemukan dari Persamaan. (5.8):

Substitusi (W (memberikan:

Nilai saya QH11 1 Qc Saya diberikan oleh persamaan ini tentu saja minimal , karena

siklus Carnot tidak dapat dicapai dalam praktek .

Sebuah diagram skematik untuk kulkas penyerapan tipikal ditunjukkan pada

Gambar . 9.4 . Perbedaan penting antara uap - kompresi dan kulkas penyerapan dalam

cara berbeda yang digunakan untuk kompresi . Bagian dari unit penyerapan di sebelah

kanan garis putus-putus pada Gambar . 9.4 adalah sama seperti dalam lemari es -

kompresi uap , tetapi bagian ke kiri menyelesaikan kompresi dengan apa jumlah ke

mesin panas . Refrigerant sebagai uap dari evaporator diserap dalam cairan pelarut yang

relatif nonvolatile pada tekanan evaporator dan pada suhu yang relatif rendah . Panas

yang dilepaskan dalam proses tersebut akan dibuang ke lingkungan di Ts . Ini adalah

tingkat suhu yang lebih rendah dari mesin panas . Solusi cair dari absorber , yang

mengandung konsentrasi yang relatif tinggi refrigeran , lolos ke pompa , yang

meningkatkan tekanan cairan yang dari kondensor . Panas dari tinggi

Sumber suhu pada TH ditransfer ke larutan cair terkompresi , meningkatkan

suhu dan penguapan refrigeran dari pelarut . Uap lolos dari regenerator ke kondensor ,

dan pelarut , yang kini mengandung konsentrasi yang relatif rendah refrigeran , kembali

ke absorber . Penukar panas menghemat energi dan juga menyesuaikan suhu aliran

terhadap nilai-nilai yang tepat . Uap bertekanan rendah adalah sumber biasa panas untuk

regenerator .

Yang paling umum digunakan sistem penyerapan - pendingin beroperasi dengan

air sebagai refrigeran dan larutan lithium bromide sebagai penyerap . Sistem ini jelas

terbatas pada pendinginan suhu di atas titik beku air . Hal ini diperlakukan secara rinci

oleh Perry dan re en . ^ Untuk suhu rendah amoniak dapat berfungsi sebagai pendingin

dengan air sebagai pelarut . Sistem alternatif menggunakan metanol sebagai refrigeran

dan polyglycolethers sebagai absorben .

Pertimbangkan pendinginan pada tingkat suhu [ Tc = 263,15 K ( -10 ° C ) ]

dengan sumber panas kondensasi uap pada tekanan atmosfer [ TH = 373,15 K ( Loo °

C ) ] . Untuk suhu lingkungan dari [ Ts = 303,15 K ( 30 ° C ) ] , kemungkinan nilai

minimum 1 QH 111 Qc 1 ditemukan dari Persamaan . ( 9.6 ) :

Untuk kulkas penyerapan yang sebenarnya , nilainya akan berada di urutan tiga kali

hasil ini .

9.5. Pompa Panas

Pompa panas, mesin panas terbalik, adalah alat untuk pemanasan rumah dan

bangunan komersial selama musim dingin dan pendinginan mereka selama musim

panas. Di musim dingin itu beroperasi sehingga untuk menyerap panas dari lingkungan

dan membuang panas ke dalam gedung. Refrigeran menguap dalam gulungan

ditempatkan di bawah tanah atau di udara luar, kompresi uap diikuti oleh kondensasi,

panas dipindahkan ke udara atau air, yang digunakan untuk memanaskan bangunan.

Kompresi harus pada tekanan sehingga temperatur kondensasi refrigeran lebih tinggi

dari tingkat suhu yang diperlukan bangunan. Biaya operasi instalasi adalah biaya tenaga

listrik untuk menjalankan kompresor. Jika unit memiliki koefisien kinerja, saya Qc I / W

= 4, panas yang tersedia untuk memanaskan rumah saya QH saya sama dengan lima kali

masukan energi ke kompresor. Setiap keuntungan ekonomi dari pompa panas sebagai

perangkat pemanas tergantung pada biaya listrik dibandingkan dengan biaya bahan

bakar seperti minyak dan gas alam.

Pompa panas juga berfungsi untuk AC selama musim panas. Aliran refrigerant

hanya terbalik, dan panas yang diserap dari gedung dan ditolak melalui kumparan

bawah tanah atau ke udara luar.

9.6. Proses Pencairan

Gas cair yang umum digunakan untuk berbagai keperluan. Sebagai contoh,

propana cair dalam silinder berfungsi sebagai bahan bakar dalam negeri, oksigen cair

dibawa dalam roket, gas alam cair untuk transportasi laut, dan nitrogen cair digunakan

untuk pendinginan suhu rendah. Selain itu, campuran gas (misalnya, udara) yang

dicairkan untuk pemisahan menjadi spesies komponen mereka dengan fraksinasi. Hasil

pencairan ketika gas didinginkan sampai suhu di wilayah dua tahap. Hal ini dapat

dicapai dengan beberapa cara:

1. Dengan pertukaran panas pada tekanan konstan.

2. Dengan proses ekspansi yang bekerja diperoleh.

3. Dengan proses throttling.

Metode pertama memerlukan heat sink pada suhu lebih rendah dari yang gas

didinginkan, dan yang paling umum digunakan untuk precool gas sebelum pencairan

sebesar dua metode lainnya. Kulkas eksternal diperlukan untuk suhu gas bawah dari

lingkungan.

Tiga metode diilustrasikan pada Gambar. 9.5. Proses-tekanan konstan (1)

mendekati wilayah dua tahap (dan pencairan) paling dekat untuk penurunan diberikan

dalam suhu. Proses throttling (3) tidak mengakibatkan pencairan kecuali keadaan awal

adalah pada tekanan yang cukup tinggi dan suhu yang cukup rendah untuk proses

konstan enthalpy untuk memotong ke wilayah dua tahap. Ini tidak terjadi ketika negara

awal adalah A. Jika keadaan awal adalah A ', di mana suhu adalah sama tetapi tekanan

lebih tinggi dari pada A, maka isenthalpic

ekspansi dengan proses (3 ') tidak mengakibatkan pembentukan cairan.

Perubahan negara dari A ke A 'paling mudah dilakukan oleh kompresi gas ke tekanan

akhir di B, diikuti dengan pendinginan-tekanan konstan ke A'. Pencairan oleh ekspansi

isentropik di sepanjang proses (2) dapat dicapai dari tekanan rendah (untuk mengingat

suhu) daripada throttling. Sebagai contoh, kelanjutan dari proses (2) dari keadaan awal

A akhirnya mengakibatkan pencairan

Proses throttling (3) adalah yang umum digunakan dalam skala kecil tanaman

pencairan komersial. Suhu gas tentunya harus penurunan selama ekspansi. Ini memang

apa yang terjadi dengan sebagian besar gas pada kondisi biasa suhu dan tekanan.

Pengecualian adalah hidrogen dan helium, yang meningkatkan suhu pada throttling

kecuali suhu awal di bawah sekitar 100 K untuk hidrogen dan 20 K untuk helium.

Pencairan gas ini dengan throttling membutuhkan reduksi awal suhu ke nilai yang lebih

rendah dengan metode 1 atau 2.

Seperti telah disebutkan, suhu harus cukup rendah dan tekanan cukup tinggi

sebelum throttling bahwa pemotongan jalan konstan enthalpy ke daerah dua fase.

Sebagai contoh, mengacu pada diagram TS untuk air6 menunjukkan bahwa pada

tekanan 100 atm suhu harus kurang dari 169 K untuk setiap pencairan terjadi sepanjang

jalur enthalpy konstan. Dengan kata lain, jika udara dikompresi hingga 100 atm dan

didinginkan sampai di bawah 169 K, dapat sebagian dicairkan dengan throttling. Cara

yang paling ekonomis untuk mendinginkan gas untuk pencairan adalah dengan arus

balik pertukaran panas dengan sebagian dari gas yang tidak mencairkan dalam proses

throttling.

Proses pencairan Linde, yang hanya tergantung pada ekspansi throttling,

ditunjukkan pada Gambar. 9.6. Setelah kompresi, gas precooled dengan suhu

lingkungan. Ini mungkin lebih jauh didinginkan oleh pendingin. Semakin rendah suhu

gas memasuki katup throttle, semakin besar fraksi gas yang dicairkan. Sebagai contoh,

refrigeran menguap di dingin di 233,15 K (-40 ° C) memberikan suhu yang lebih rendah

pada katup daripada jika air pada 294,15 K (21 ° C) adalah media pendingin.

Sebuah proses pencairan yang lebih efisien akan menggantikan katup throttle

oleh expander, tapi operasi alat tersebut ke daerah dua fase tidak praktis. Namun, proses

Claude, ditunjukkan pada Gambar. 9.7, yang sebagian didasarkan pada ide ini. Gas pada

suhu antara diekstrak dari sistem pertukaran panas dan melewati sebuah expander dari

yang menguras sebagai uap jenuh atau sedikit superheated. Sisa gas selanjutnya

didinginkan dan mencekik melalui katup untuk menghasilkan pencairan seperti dalam

proses Linde. The unliquefied porsi, yang jenuh uap, bercampur dengan knalpot

expander dan kembali untuk daur ulang melalui sistem penukar panas.

Keseimbangan energi, Persamaan. (2.30), diterapkan pada bagian dari proses

berbaring di sebelah kanan hasil panen garis vertikal putus-putus:

Jika expander beroperasi adiabatik, woUats diberikan oleh Persamaan. (7.13), i s

Selain itu, dengan keseimbangan massa, mls = m4 - m9. Keseimbangan energi,

setelah pembagian dengan m4, karena itu menjadi:

Dengan definisi, z - m9/m4 dan x = mI2/m4, solusi dari persamaan sebelumnya

untuk menghasilkan z

Dalam persamaan ini z adalah bagian dari aliran masuk ke dalam sistem penukar

panas yang dicairkan, dan x adalah fraksi aliran ini yang ditarik off antara penukar panas

dan melewati expander. Ini jumlah yang terakhir (x) adalah variabel desain, dan harus

ditentukan sebelum Persamaan. (9.7) dapat diselesaikan untuk z. Perhatikan bahwa hasil

proses Linde bila x = 0, dan dalam hal ini Persamaan. (9.7) tereduksi menjadi:

Dengan demikian proses Linde adalah kasus membatasi proses Claude, diperoleh

ketika tidak ada aliran gas bertekanan tinggi dikirim ke expander. Persamaan (9.7) dan

(9.8) mengira bahwa tidak ada panas mengalir ke dalam sistem dari lingkungan. Ini

tidak pernah bisa sepenuhnya benar, dan kebocoran panas mungkin menjadi signifikan

ketika suhu sangat rendah, bahkan dengan peralatan yang terisolasi.

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum wr.wb

Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah

melimpahkan segala rahmat dan petunjuk-Nya sehingga penyusun dapat

menyelesaikan tugas Termodinamika II ini dengan baik. Tak lupa sholawat dan

salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW, keluarga,

sahabat dan seluruh pengikutnya sampai akhir zaman.

Translet Termodinamika pada Bab 9 Pendinginan dan Pencarian,

diharapkan dapat dipahami dengan baik dan memberikan kemampuan penalaran

dan penerapan teori-teori terhadap Termodinamika.

Penyusun menyadari bahwa dalam penyusunan tugas

Termodinamika ini banyak terdapat kekurangan dan kesalahan, untuk itu penulis

mengharapkan saran dan kritik membangun demi kesempurnaan laporan ini. Dan

semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Wassalamualaikum wr.wb

Palembang, September 2013

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ……………………………………………………………………………

Daftar Isi ………………………………………………………………………………….

BAB 1

Pendahuluan ………………………………………………………………………………

1.1 Latar Belakang ………………………………………………………………….

1.1 Tujuan …………………………………………………………………………..

1.2 Manfaat …………………………………………………………………………

BAB 9

Pendinginan dan Pencairan ……………………………………………………………….

9.1. Pendingin Carnot ………………………………………………………………..

9.2. Siklus Kompresi Uap ……………………………………………………………

9.3. Pemilihan Pendingin …………………………………………………………….

9.4. Pendinginan Absorpsi …………………………………………………………...

9.5. Pompa Panas …………………………………………………………………….

9.6. Proses Pencairan …………………………………………………………...........

BAB 3

Kesimpulan ……………………………………………………………………………….

Daftar Pustaka …………………………………………………………………………….

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pendingin dan Pencairan bagian dari ilmu Termodinamki