Download - 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)