MODUL XIIIPENGUJIAN KONDISI THERMODINAMIK

PADA DAERAH CAMPURAN(PENGUKURAN ENTHALPI DAN KUALITAS UAP AIR)

I. Tujuan PercobaanTujuan yang ingin dicapai dari praktikum ini adalah :

Mahasiswa mengerti dan dapat melakukan pengukuran enthalpi

uap

Mahasiswa mengerti dan dapat melakukan pengukuran enthalpi

campuran uap-cairan

Mahasiswa mengerti dan dapat melakukan pengukuran derajat

kekeringan uap-cairan

II. Landasan TeoriEnthalpi adalah jumlah energi dalam ditambah dengan energi

aliran yang dimiliki oleh fluida. Berikut ini adalah gambaran jelasnya

mengenai prinsip mendapatkan enthalpi (dalam suatu sistem volume-

atur).

Pada elemen yang diarsir mengalami kerja akibat tekanan fluida yaitu :

W = F.s

W = P.A.dx

W = P.dv

W diatas dinamakan sebagai energi aliran.

Sedangkan keseluruhan energi yang dimiliki oleh fluida adalah :

dimana komponen u dan pv dapat disederhanakan menjadi satu

variabel karena masing-masing variabel tersebut berubah terhadap

temperatur, sehingga persamaan di atas dapat dinyatakan dengan :

, dimana h = u + pv

Untuk menentukan besarnya enthalpi dari suatu fluida pada

tingkat keadaan tertentu dapat menggunakan tabel termodinamika

dengan terlebih dahulu diketahui parameter tekanan atau temperatur.

Hal ini berlaku ketika fluida tersebut berada pada keadaan sub-cooled

atau super heat. Sedangkan untuk keadaan campuran maka

diperlukan satu parameter lagi yaitu kualitas uap atau yang dikenal

dengan x.

Kualitas uap (x) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Bila x telah diketahui, maka enthalpi uap campuran :

Dalam praktek, kesulitan justru pada mencari harga x uap campuran.

Proses cekik (throttling) adalah suatu proses dengan cara

melewatkan uap melalui saluran sempit. Setelah melalui saluran

sempit, yaitu bila pencekikannya cukup memadai, uap campuran yang

bersangkutan dapat menjadi uap panas lanjut.

Gambar 1 : Skema saluran cekik

2

Bila titik 1 dan 2 masing-masing melambangkan keadaan sisi masuk

dan sisi keluar celah seperti Gambar 1, maka :

dimana pada kasus seperti gambar di atas : z1 ≈ z2 ; V1 ≈ V2 sehingga :

h1 = h2

Jadi pada proses cekik enthalpi uap atau gas pada sisi masuk

sama dengan sisi keluar dari saluran. Tetapi pada proses tersebut,

baik tekanan maupun temperatur harganya akan turun.

Kegunaan proses cekik pada pengukuran enthalpi adalah untuk

menentukan besarnya enthalpi dari fluida sebelum masuk ke

kalorimeter cekik dimana enthalpinya sama dengan enthalpi fluida

setelah keluar dari kalorimeter cekik. Selain itu proses cekik dapat

digunakan untuk mengurangi temperatur dan tekanan kerja dari sudu-

sudu turbin.

Kalorimeter pisah Misalkan uap basah yang dihasilkan pembangkit uap

mengandung air sebesar Mw dan uap kering sebesar Mu

Kualitas uap adalah :

Bila Mwp adalah jumlah massa air yang dapat terpisahkan pada

kalorimeter pisah, maka jumlah uap campuran :

MB = (Mw + Mu) - Mwp

Sehingga kualitas uap campuran yang meninggalkan calorimeter

adalah :

3

Kalorimeter cekik Pada kalorimeter cekik, uap campuran dilewatkan saluran

sempit sehingga terjadi proses “throttling” .

Pada proses cekik terjadi :

Perubahan enthalpi = 0

Penurunan tekanan

Penurunan temperatur

Enthalpi ditingkatkan keadaan B dapat dicari karena pada tingkat

keadaan tersebut campuran uap telah menjadi uap panas lanjut

Gambar 2 : Proses cekik

Dengan mengukur PB dan TB, enthalpi di B dapat dicari dengan tabel,

grafik atau perhitungan. Dengan demikian enthalpi pada tingkat

keadaan A diketahui.

Kualitas uap pada tingkat keadaan A dapat dicari dengan :

Gabungan Kalorimeter Pisah dan Kalorimeter Cekik

4

Pada percobaan ini, untuk mengukur kualitas uap digunakan rangkaian

seri antara kalorimeter pisah dengan kalorimeter cekik. Hal ini

dikarenakan hasil yang didapat dari gabungan tersebut lebih teliti.

Gambar 3 :

Massa uap yang berada pada kalorimeter cekik adalah :

Muc = (Mw + Mu) – Mwp – (1 – xc) MB

sehingga :

dimana

maka diperoleh :

5

Jadi kualitas uap sebenarnya merupakan perkalian kualitas uap yang

didapat dari kalorimeter pisah dan cekik.

Kegunaan kalorimeter pisah pada percobaan ini adalah untuk

memisahkan air dari campuran uap-air yang keluar dari boiler. Tetapi

hal ini tidak sepenuhnya dapat tercapai karena setelah melewati

kalorimeter pisah, uap masih mengandung air.

III. Instalasi PengujianUntuk pengujian kondisi thermodinamik pada daerah campuran

ini hanya digunakan pembangkit uap dan kalorimeter. Peralatan-

peralatan yang lain tidak digunakan atau hanya sebagai penunjang.

Spesifikasi alat :

Pembuat : Fulton Boiler Work, Ltd.

Seri : B2196

Model : 10E

Tekanan : 150 psig

Laju pembangkit uap : 350 lb/jam

Jenis : Drum ganda

Diameter luar : 28”

Tinggi : 67”

Kalorimeter : Wards Patent, Ltd

IV. Data PengamatanBerikut ini data hasil pengukuran kalorimeter :

6

Besaran Satuan Simbol PengukuranTekanan awal bar MAN 1 8

Temperatur awal oC TH 1 175

Air pengembunan pada

Kalorimeter Pisah

CC PENG VOL 1 120

Tekanan sesudah

Kalorimeter Cekik

mm Hg MAN 2 158

Temperatur sesudah

Katup Cekik

oC TH 2 104

Air Pengembunan

sesudah Kalorimeter

Cekik

CC PENG VOL 2 82

V. Perhitungan dan AnalisisDari data pengamatan :

Pawal = 8 bar

Tawal = 175 oC

Mwp = 120 CC

MB = 82 CC

Mu + Mw = MB + Mwp = 120 + 82 = 202 CC

Tekanan sesudah kalorimeter cekik, PB = 158 mmHg ≈ 0,2 bar

Temperatur sesudah katup cekik, TB = 104 oC.

Dari data-data diatas, maka dapat dihitung harga kualitas pada kalorimeter

pisah (xp), yaitu sebesar :

Dari tabel A-4 buku “Fundamental of Engineering Thermodynamics” karangan

MORAN – SAPHIRO diperoleh harga-harga enthalpy pada suatu tingkat

keadaan tertentu (T,p) , yaitu :

7

p = 0,06 bar p = 0,35 barT (oC) h (kJ/kg) T (oC) h (kJ/kg)

80 2650,1 80 2645,6

104 hB1 104 hB2

120 2726,0 120 2723,1

Dengan melakukan “double interpolation”, maka diperoleh :

→ hB1 = 2695,64 kJ/kg

→ hB2 = 2692,1 kJ/kg

→ hB = 2693,93 kJ/kg

Menurut konsep throttling maka hA = hB = 2693,93 kJ/kg.

Untuk mencari hf dan hfg digunakan asumsi bahwa tidak terjadi

penurunan temperatur setelah uap melewati kalorimeter pisah.

sehingga TA = 175 oC. Asumsi ini diambil karena tidak ada alat

pengukur temperatur dan tekanan pada kalorimeter pisah, sehingga

dipakai data awal keluar dari boiler

Dari tabel A-2 buku “Fundamental of Engineering Thermodynamics”

karangan MORAN – SAPHIRO (interpolasi),

pada T = 175 oC → hf = 741,215 kJ/kg, hfg = 2032,235 kJ/kg.

sehingga harga kualitas pada kalorimeter cekik (xc) dapat dihitung,

yaitu sebesar :

sehingga

Jadi kualitas uap setelah dikoreksi adalah x = 39,0056 % = 0,390056

8

Dari masing-masing kalorimeter terlihat bahwa kualitas uap lebih kecil

dari pada 1. Hal itu menyatakan bahwa campuran yang melalui

kalorimeter tersebut masih mengandung air.

Menghitung enthalpi campuran uap-air :

Jadi enthalpi campuran uap-air adalah hx = 1533,8996 kJ/kg

Analisa :Dari hasil perhitungan diperoleh harga kualitas uap keluaran dari pembangkit

uap atau boiler (sebelum masuk kalorimeter pisah) sebesar 39,0056 %, yang

berarti bahwa uap tersebut masih terlalu banyak mengandung air. Hal ini

disebabkan oleh berbagai faktor, antara lain :

Waktu pemanasan (pengoperasian) pembangkit uap atau boiler belum

terlalu lama sehingga kalor pemanasan yang dimasukkan oleh bahan

bakar dan laju aliran massa air yang dimasak relatif masih kecil.

Adanya kemungkinan kesalahan-kesalahan yang sifatnya paralaks,

diantaranya gelas pengukur volume air pengembunan sesudah

kalorimeter pisah dan kalorimeter cekik masih mengandung

kandungan air sehingga terjadi kesalahan pengukuran.

Adanya air pengembunan yang tumpah ataupun menguap pada saat

katupnya dibuka.

Umur alat (boiler, thermometer, pressure gage) yang sudah cukup

lama, sehingga adanya kemungkinan kesalahan.

Pada kalorimeter pisah dan perpipaan terjadi perpindahan panas ke

sekeliling, sehingga tidak dapat dipakai asumsi tidak terjadi penurunan

temperatur pada kalorimeter pisah dan perpipaan.

VI. Kesimpulan

1) Harga enthalpi uap hB = 2693,93 kJ/kg

9

2) Harga enthalpi campuran uap-air hx = 1533,8996 kJ/kg

3) Harga derajat kekeringan campuran uap-air x = 0,390056 =

39,0056 %

VII. Daftar Pustaka Pulung Nurprasetio,Ign dan Nathanael

P.Tandian, “Panduan Praktikum Fenomena Dasar Mesin”,

Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung, 2003

Moran, Michael J. dan Howard N.Saphiro,

“Fundamental of Engineering Thermodynamics”, 4th edition, John

Wiley & Sons Inc, 2000

10