pemicu 3 termo

0 | P e m i c u 3 : P r o s e s - P r o s e s S i k l i k ( K e l o m p o k 1 0 )

MAKALAH TERMODINAMIKA

Pemicu III

Proses Proses Siklik

Kelompok : 10

Nama Anggota : Atikah Ridhowati (1306392922)

Clarissa Ancella (1306370644)

Fauzan Nazif (1306370392)

Ivander Christian S (1306449126)

Mahahera B. P. A (1306405736)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

Depok, Maret 2015


DAFTAR ISI

DAFTAR ISI .. 1

JAWABAN PERTANYAAN .... 2

Nomor 1 . 2

Nomor 2 ... 10

Nomor 3 ... 12

KESIMPULAN .... 17

DAFTAR PUSTAKA .. 18


JAWABAN PERTANYAAN

1. Anda baru bekerja di perusahaan konsultan. Pekerjaan pertama yang

dilakukan adalah menyelidiki kelayakan penggunaan tenaga panas Bumi.

Di suatu daerah pegunungan tersedia sumber uap panas bertekanan

rendah yang sangat berlimpah sehingga berpotensi menghasilkan energi

listrik beberapa ratus MW bila dapat dibuat alat yang tepat. Diusulkan

untuk menggunakan siklus power plant dengan menggunakan working

fluid berupa tetrafluroethane (HFC-134a) dengan rute seperti pada

gambar di bawah ini. Di sekitar lokasi juga tersedia air dingin dalam

jumlah berlimpah (ingat ini di pegunungan). HFC-134a cair jenuh keluar

kondesor pada suhu 21oC dipompa hingga mencapai tekanan 400 psia lalu

dialirkan ke boiler dan keluar sebagai superheated vapor. Uap HFC-134a

kemudian diekspansikan pada turbin. Sebagai pilot-plant akan dibuat

sebuah power plant dengan kapasitas 2 MW (output bersih, dikurangi

daya untuk pompa). Efisiensi turbin adalah sebesar 85% dibanding proses

isentropis dan efisiensi pompa adalah 90%.

a. Berapakah tekanan keluar turbin yang saudara rekomendasikan?

3

Kondenser

Boiler

Turbin Pompa

1

2

4

cair jenuh, 21 oC

400 psia, 220 oF

Win

Qin

Qout

Wout


b. Tentukanlah jumlah working fluid yang disirkulasikan per jam.

c. Tentukanlah kebutuhan daya untuk pemompaan.

d. Cukup layakkah ide ini untuk dilaksanakan dan juga rekomendasi

untuk perbaikan sistem ini.

Untuk Penyederhanaan, abaikan pressure drop di boiler dan di kondenser.

Jawab:

a. Berapakah tekanan keluar turbin yang saudara rekomendasikan?

Untuk menyelesaikan permasalahan mengenai tekanan keluar turbin kita

harus membuat sketsa grafik temperature dan entropi (grafik T-s) dari siklus

rankine dari sistem yang kita miliki. Berikut ini grafik yang akan kita gunakan:

Gambar. A Gambar grafik T-s dari siklus rankine sistem dari soal

(sumber: https://ecourses.ou.edu)

Dari grafik T-s di atas, dapat kita lihat bahwa dalam siklus yang kita miliki

terdapat dua buah garis isobarik dan dua buah garis isentropis dimana garis 12

merupakan proses isentropis pada pompa, garis 23 merupakan proses isobarik

pada boiler., Garis 34 merupakan proses isentropis pada turbin dan Garis 41

merupakan proses isobarik pada kondensor.

Dari pemaparan grafik diatas, proses 41 yang merupakan suatu sistem

isobarik dimana tekanan pada titik 4 dan titik 1 adalah sama maka dapat kita

simpulkan bahwa tekanan dari working fluid pada sebelum masuk kondensor

(titik 4 pada gambar) adalah sama dengan tekanan working fluid pada setelah


keluar kondensor (titik 1 pada gambar). Perbedaan pada titik 4 dan titik satu

hanya kualitas saja.

Pada titik 1, working fluid memiliki kondisi berupa: saturated liquid

dengan temperatur 21 oC. Untuk mengetahui tekanan pada kondisi tersebut,

kita dapat melihat tabel saturated dari HFC-134a yang terdapat pada lampiran

tabel A-10 dari buku Fundamentals of Engineering Thermodynamics Edisi 7

Moran-Saphiro. Dari tabel A-10 kita dapatkan:

Temperatur

(oC)

Tekanan (bar)

20 5,716

21 P1

24 6,4566

Dengan menggunakan metode interpolasi maka kita dapat mendapatkan nilai

dari P1. Nilai yang didapatkan berdasarkan perhitungan tersebut adalah sebesar

5.9012 bar. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa tekanan pada P1

dan tekanan pada P4 memiliki nilai yang sama. Sehingga nilai tekanan pada P4:

b. Tentukanlah jumlah working fluid yang disirkulasikan per jam.

Kita dapat menghitung laju massa melalui neraca energi dari sistem yang

kita miliki oleh karenanya hal pertama yang harus kita lakukan adalah

mendefinisikan neraca energi dari sistem yang kita miliki. Neraca energi dari

sistem yang kita miliki adalah:

Energi potensial ( dan kinetic ( pada sistem yang kita miliki

nilainya sangat kecil sehingga dapat kita abaikan. Selain itu, karena sistem

yang kita miliki merupakan suatu sistem siklus maka m1 dan m2 sama besar


dan u1 dan u2 juga sama besar sehingga keduanya saling meniadakan.

Komponen-komponen dalam sistem yang kita miliki yaitu: pompa, boiler,

turbin, dan kondenser merupakan komponen-komponen steady flow sehingga

dapat kita katakan bahwa sistem yang kita miliki merupakan sistem steady flow

atau steady state yang membuat nilai mout pasti sama dengan nilai min. Dengan

penyederhanaan maka neraca energi dari sistem yang kita miliki akan menjadi:

Karena sistem yang kita miliki merupakan sistem siklus maka aliran pada

komponen manapun akan sama terhadap jumlah aliran feed yang dimasukkan

ke dalam sistem. Sehingga, untuk menjawab soal ini kita hanya perlu meninjau

aliran pada salah satu komponen saja.

Pertama-tama kita akan melihat dari aliran turbin dimana diketahui bahwa

nilai efisiensi turbin adalah 85% atau 0.85. Pada turbin (proses 3-4) merupakan

proses isentropis sehingga nilai dari S3 dan nilai dari S4 adalah sama. Pada titik

3, HFC-134a berada pada fase superheated steam dengan kondisi tekanan 400

psia dan temperatur 220 oF. Beracuan pada tabel superheated steam HFC-134a

yang diambil dari sumber internet didapatkan data sebagai berikut:

T (oF)

P = 400 psia (Tsat = 179,95 oF)

h (Btu/lbm) s (Btu/lbm.oR)

200 128,6 0,2235

220 135,8 0,2343

240 142,4 0,2438

Dari tabel di atas dapat kita ketahui bahwa entalpi dan entropi pada kondisi

titik 3 adalah sebesar 135 Btu/lbm atau 315870.8 J/kg dan 0,2343 Btu/lbm.oR


atau setara dengan 962,964 J/kg.K, sehingga karena s3 = s4 maka entropi pada

titik 4 juga sebesar 962,964 J/kg.K.

Pada titik keempat. seperti yang telah kita ketahui pada soal sebelumnya,

kondisinya adalah sama persis dalam hal tekanannya dengan kondisi pada titik

pertama. Berarti kondisi pada titik 4 adalah, tekanan sebesar 85,859 psia dan

entropi sebesar 0,2343 Btu/lbm.oR. Kemudian, untuk menentukan fase pada

keadaan tersebut, kita harus melihat tabel A-10 untuk melihat entropi jenuh uap

pada tekanan 85,859 psia. Dari tabel A-10, didapatkan bahwa entropi jenuh uap

pada tekanan 85,859 psia adalah sebesar 0,2173 Btu/lbm.oR. Oleh karenanya:

Karena entropi isentropis yang kita miliki untuk titik 4 lebih besar dari

entropi uap jenuh, maka dapat kita simpulkan bahwa fase HFC-134a pada titik

4 masih pada fase superheated. Selanjutnya, dengan memanfaatkan tabel

superheated HFC-134a yang ada pada sumber internet, kita dapat

menggunakan data entropi isentropis dan tekanan yang kita miliki untuk

mencari temperatur pada titik 4.

entropi 80 psi 85,589 psi 90 psi

80 oF 0,2239 0,222 0,2205

100 o

F 0,2327 0,2309 0,2295

107,64 oF 0,2343

Dari tabel di atas, kita mendapatkan bahwa temperatur pada kondisi 4 saat

entropinya 0,2343 Btu/lbm.oR dan tekanan 85,589 psi adalah sebesar 107,64

oF. Selanjutnya, kita dapat menggunakan data temperatur dan tekanan pada titik

4 tersebut untuk mencari entalpi isentropisnya.

h (Btu/lbm) 80 psi 85,589 psi 90 psi

107,64 oF 120,87 120,52 120,25

Kita dapatkan bahwa entalpi isentropis (h4s) pada titik 4 adalah sebesar 120,52

Btu/lbm atau setara dengan 280329,52 J/kg.


Sekarang kita memiliki nilai entalpi isentropis pada titik 4 (h4s) kemudian yang

kita harus lakukan adalah mencari nilai entalpi sesungguhnya pada titik 4 (h4)

melalui penghitungan memanfaatkan nilai efisiensi turbin yang diketahui.

)

Setelah kita mendapatkan nilai h4 tersebut, maka kita dapat menghitung

kerja spesifik (kerja per satuan massa) yang dihasilkan oleh turbin pada

kenyataannya.

Sehingga selanjutnya kita dapat menghitung laju alir massanya dengan

cara membagi daya yang dihasilkan oleh turbin (diketahui dari soal) dengan

kerja spesifik nyata yang dihasilkan oleh turbin.

Jadi, laju alir massa dari HFC-134a yang disirkulasikan dalam sistem per-

jamnya adalah sebesar kg/jam.

c. Tentukanlah kebutuhan daya untuk pemompaan.


Kita akan menghitung kebutuhan daya (Win) untuk itu kita harus meninjau

sistem pada titik 1 dan titik 2 yang merupakan titik dimana sistem dari pompa

tersebut. Tahap yang harus kita lakukan adalah sebagai berikut :

Menghitung entalpi pada kondisi 2s dengan persamaan berikut:

Menghitung h2:

Mencari kerja nyata:

Mencari nilai daya pompa

( )

Berdasarkan pemaparan perhitungan diatas kita dapat mendapatkkan nilai dari

Daya pompa . Nilai dari daya pompa adalah 703645,25 W (atau 0,7 MW).

d. Cukup layakkah ide ini untuk dilaksanakan dan juga rekomendasi untuk

perbaikan sistem ini.

Sistem yang kita memiliki masih belum layak untuk digunakan karena

HFC-134a yang keluar dari turbin masih berada dalam fasa superheated dari

yang seharusnya uap jenuh dengan kualitas satu. Selain itu, untuk semakin

menyempurnakan sistem atau dengan kata lain meningkatkan lagi efisiensi dari

tiap komponen dalam sistem kita dapat melakukan beberapa hal berikut:


Pemanasan Lanjut

Dalam siklus ini, pemanasan dilakukan sampai mencapai keadaan

superheat dengan sistem siklus rankine yang sederhana. Untuk lebih

mengerti lebih lanjut maka dapat dilihat pada gambar sistem siklus rankine

dibawah ini.

Pemanasan ulang

Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama

menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin

pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum

memasuki turbin kedua yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa

didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi

yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi

turbin.

Sistem regenerasi

Konsep siklus ini menyerupai konsep siklus dengan pemanasan ulang.

Yang membedakan adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan


kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati

turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan

mengakibatkan pencampuran temperature. Hal ini akan mengefisiensikan

pemanasan primer.

2. Suatu mesin standar otto berbahan bakar premium (anggap saja iso

oktana) mempunyai perbandingan kompresi 10,3 digunakan untuk

menggerakan sebuah kendaraan bermotor roda 2. Pada kecepatan 70

km/jam dengan jalan lurus dan rata mesin mengeluarkan daya actual

sekitar 3 hp. Panas pembakaran bensin diperkirakan 11,4 kkal/g dan

density bahan bakar adalah 0,703 g/cm3. Bila efisiensi termal

kendaraan 60% dari efisiensi termal mesin otto ideal, perkirakan

jarak tempuh maksimum untuk setiap 1 liter bahan bakar. Tuliskan

asumsi saudara. Berilah komentar potensi penurunan efisiensi bahan

bakar dalam kondisi riil di jalanan.

Jawab:

Diketahui:


Ditanya: Jarak tempuh?

Asumsi:

o Siklus otto standar, udara dingin

o Proses yang terjadi pada sistem tertutup

o Semua ekspansi dan kompresi adalah adiabatic

o Model yang digunakan adalah gas ideal

o Energy kinetic dan energy potensial diabaikan

Basis: 1 liter BBM


Hal ini mungkin pada kondisi riil karena biasanya efisiensi bahan bakar

hanya sekitar 20-30 % untuk kompresi 10:1. Dalam kasus ini mencapai

36,4 %. Efisiensi bahan bakar biasanya dipengaruhi oleh kompresi,

kualitas bahan bakar itu sendiri, jenis dari kendaraan, ukuran kendaraan,

serta jarak yang ditempuh.

3. Untuk mempertahankan suatu proses pada suhu 20oC digunakan

pendingin chilled water yang diproduksi dengan proses pada skema di

bawah. Beban pendingin proses 20.000 BTU/jam. Sistem

menghasilkan chilled water pada suhu 8oC dan keluar alat penukar

panas pada 17oC untuk direcycle dan dicampur dengan make-up

water (suhu 25oC). Spray chamber dipertahankan vakum dengan

sebuah pompa vakum yang menekan uap yang dihasilkan menjadi

1,05 atm.

a. Berapakah tekanan maksimum spray chamber agar diperoleh suhu

chilled water yang diinginkan?

b. Berapakah jumlah chilled water yang diperlukan?

c. Berapakah jumlah air yang menguap dalam spray chamber?

d. Berapakah daya pompa vakum bila pompa memiliki efisiensi 80%

disbanding proses isentropis?

e. Berilah komentar singkat kelayakan proses di atas dan kendala apa

yang mungkin muncul.

Jawab:

Asumsi:


Steady state

Open system

Pipa bersifat adiabatis (Q = 0)

Kerja pompa dapat diabaikan (W = 0)

Energi kinetik dan energi potensial dapat diabaikan (Ek = 0 dan Ep

= 0)

Katup yang digunakan berupa katup ekspansi dengan prinsip throttle

(h1=h2)

a. Tekanan maksimum spray chamber agar diperoleh suhu chilled water

yang diinginkan yaitu 8oC adalah 1,072 kPa dengan asumsi air yang

mengalir dalam sistem berada dalam fase saturated liquid.

b. Untuk mengetahui jumlah chilled water yang diperlukan, kita meninjau

heat exchanger sebagai sistem.

Asumsi:

- Steady state

- Open system

- Tidak ada kerja yang dilakukan oleh heat exchanger (W=0)

- Kecepatan konstan dan tidak ada perubahan posisi (Ek = 0 dan Ep

= 0)

- Tidak ada massa yang dibawa saat ada penambahan kalor ke dalam

sistem (m2=0)

Basis = 1 jam

Neraca Energi

Heat Exchanger 8oC

Chilled 17oC

Q

1

2

3


Neraca Massa

(

)

(

)

Jadi, massa chilled water yang dibutuhkan sistem keseluruhan sebanyak

559,2 kg setiap jamnya.

c. Berapakah jumlah air yang menguap dalam spray Chamber?

Kondisi sistem adalah steady state sehingga :

3 = 1

4 = 5

Persamaan Neraca Massa dan Energi :

1h3 + 5h4 = 1h1 + 5h5

1(h3 h1) = 5(h5-h4)

5 =

Besar entalpi :


h1 = Saturated liquid pada 8oC = 33600 J/kg



h5 = Saturated vapor pada 8oC = 2520000 J/kg

Besar jumlah air yang menguap adalah

5 =

5 =

5 = 8,752 kg/jam

d. Berapakah daya pompa vakum bila pompa memiliki efisiensi 80%

dibanding proses isentropis?

Keadaan :

Proses isentropis maka s5 = s6

Fasa uap jenuh

s5 = s6 = 8950 J/kg K (pada 8oC)

h6s = 3600 kJ/kg

= 80%

Menghitung kerja actual

=


Daya

P =

P =

Energi panas yang terbuang dari vacuum

h6 = W actual + h5

h6 =

h6 =

e. Berilah komentar singkat kelayakan proses di atas dan kendala apa

yang mungkin muncul.

Proses diatas menunjukkan bahwa proses diatas akan berjalan

apabila memiliki pompa dengan kapasitas yang tinggi karena

berdasarkan perhitungan diatas aliran massa cukup besar yaitu

dengan beban pendingan 20000 BTU/jam atau setara dengan 21090

kJ/jam. Artinya perusahaan harus memiliki pompa yang cukup mahal

karena memiliki daya yang besar, sehingga memerlukan cost lebih.

Kendala lainnya adalah energi yang terbuang dalam bentuk panas pada

vacuum pump cukup besar yaitu

. Dalam dunia industry, energi

terbuang sama dengan cost yang dibuang sia-sia.


KESIMPULAN

Sistem refrijeran adalah sistem yang bertujuan untuk menjaga daerah

dingin dengan temperatur sekitarnya.

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan

dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin

(Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

Pompa adalah mesin fluida yang digunakan untuk memindahkan fluida

dari satu tempat ke tempat lain. Dalam menjalankan fungsinya tersebut,

pompa mengubah energi gerak poros untuk menggerakkan sudu-sudu

menjadi energi tekanan pada fluida.

Turbin adalah rotary engine (mesin yang berotasi) yang dapat mengekstrak

energy dari aliran fluida.


DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Y.A. .2006. Thermodynamics : An Engineering Approach, 5th Edition.

New York : McGraw Hill.

Holman, J.P. (1986) Perpindahan Kalor, Edisi Keenam. Jakarta : Erlangga.

Moran, M.J. dan Shapiro, H.N. 2004. Termodinamika Teknik, Jilid 1. Jakarta :

Erlangga [terjemahan].

Serway, R. dan Jewett, J. 2013. Physics for Scientist and Engineers, 9th Edition.

Stamford : Cengage Learning.

Smith, J.M., Van Ness, H.C., dan Abbott, M.M. 2005. Introduction to Chemical

Engineering Thermodynamics, 7thEdition. New York : McGraw Hill Higher

Education.

Moran, Michael J., dkk. 2011. Fundamentals of Engineering Thermodynamics

Seventh Edition. USA: John Wiley & Sons, Inc.

pemicu 3 termo

Documents