contoh penyelesaian soal sistem refrigerasi
Post on 24-Jun-2015
3.759 Views
Preview:
TRANSCRIPT
ADVANCE LEARNING PROGRAM (ALP CONSULTANT)
BIDANG STUDI
Fundamental
Thermodinamika, Perpindahan Panas, Mekanika Fluida, Konservasi Energi
Analisis Manual Dasar
Heat Exchanger, Sistem Uap, Sistem Refrigerasi dan AC
ALAMAT KONTAK
By Phone:
+6281370934621
By Email:
ali.h.pane@gmail.com
Contoh soal: Sistem Refrigerasi Multi tingkat Kompressor
Sebuah siklus kompresi uap yang dimodifikasi mempunyai 3 kompresor, 2 flash cooler, dan 2
mixer chamber dioperasikan pada temperatur evaporasi -10 oC dan temperatur kondensasi 40 oC. Fluida kerja yang digunakan adalah R-134a dan beban pendingin yang terjadi di
evaporator 1000 ton. Jika siklus yang bekerja adalah ideal, buatlah analisa thermodinamika
dan tentukanlah COP sistem tersebut.
Diketahui: Siklus kompressi uap ideal multi tingkat kompressor seperti gambar 1, dengan
parameter design adalah:
Fluida kerja siklus adalah R-134a
QE = 1000 TR =
TE = -10 oC
TK = 40 oC
Ditanya:
1. Analisa thermodinamika untuk siklus
2. COP siklus
Keterangan gambar:
Fc : adalah flash cooler
Mc : adalah mixer chamber
C : adalah kompressor
Subcript 1, 2, 3 adalah multitingkat
peralatan
Gambar 1. SKU ideal (modifikasi)
multitingkat kompressor.
Gambar 2. Diagram p-h siklus kompresi ual multi tingkat kompressor
Penyelesaian:
1. Analisa thermodinamika
Dari bentuk persoalaan data yang diketahui:
Titik 1
Dari tabel saturasi R-134a pada temperatur evaporasi (TE) -10 oC, diperoleh:
P1 = PE = 200,6 kPa
h1 = 392,75 kJ/kg
s1 = 1,7337 kJ/kg. K
Titik 7
Dari tabel saturasi R-134a pada temperatur kondensasi (TK) 40 oC, diperoleh:
P7 = PK = 1016,6 kPa
h7 = 256,41 kJ/kg
s7 = 1,1903 kJ/kg. K
Rasio tekanan antara optimum, dimana jumlah kompressor (n) 3 buah:
71767,16,2006,1016 3/1/1
n
E
KPPr
Maka tekanan antara Pi, 1 dan `Pi, 2 dapat ditentukan:
kPa56460,3446,20071767,11, Ei PrP
dan
kPa84828,59156460,34471767,11,2, ii PrP
Dari tabel saturasi R-134a, berdasarkan tekanan Pi, 1 diperoleh:
Pi, 1 (kPa) hL = h13 (kJ/kg) hV = h12 (kJ/kg) sL = s13 (kJ/kg. K) sV = s12 (kJ/kg. K) 337,66 205,40 400,92 1,0195 1,7250
344,56460 h13 h12 s13 s12
361,98 208,11 402,06 1,0292 1,7240 Maka harga enthalpy:
kJ/kg401,24365)92,40006,402(66,33798,361
56460,34498,36106,40212
h
dan
kJ/kg206,16939)40,20511,208(66,33798,361
56460,34498,36111,20813
h
Untuk harga entropy:
K kJ/kg.1,72472)7240,17250,1(66,33798,361
56460,34498,3617240,112
s
dan
K kJ/kg.02225 1,)0195,10292,1(66,33798,361
56460,34498,3610292,113
s
Dari tabel saturasi R-134a, berdasarkan tekanan Pi, 2 diperoleh:
Pi, 2 (kPa) hL = h10 (kJ/kg) hV = h9 (kJ/kg) sL = s10 (kJ/kg. K) sV = s9 (kJ/kg. K) 571,71 227,47 408,69 1,0962 1,7180
591,84828 h10 h9 s10 s9
607,89 230,29 410,79 1,1057 1,7173 Maka harga enyhalpy:
kJ/kg409,85889)69,40879,410(71,57189,607
84828,59189,60779,4109
h
dan
kJ/kg229,03965)47,22729,230(71,57189,607
84828,59189,60729,23010
h
Untuk harga entropy:
K kJ/kg.1,71761)7180,17173,1(71,57189,607
84828,59189,6077173,19
s
dan
K kJ/kg.1,10744)0962,11057,1(71,57189,607
84828,59189,6071057,110
s
Analisa pada flash cooler 1 (FC, 1) untuk mendapatkan fraksi x , berdasarkan hukum kekekalan
energi:
0,15137229,03965409,85889
229,0396541,256
:maka , dimana
atau
)1(
78109
108
1098
x
hhhhhh
x
hxxhh
Analisa pada flash cooler 1 (FC, 2) untuk mendapatkan fraksi y , berdasarkan hukum kekekalan
energi:
0,0994916939,062401,24365
)16939,06203965,229(0,15137)1(
:maka , dimana ))(1(
atau
)1()1(
10111312
1311
131211
y
hhhh
hhxy
hyxyhhx
Analisa harga enthalpy untuk titik 2 dan 3
Enthalpy pada titik 2
kJ/kg403,73737)16939,20624365,401(02225,172472,172472,17337,124365,401
s dimana )(
2
1213121312
122122
h
shhsssshh
Enthalpy pada titik 3
Analisa pada mixer chamber (MC1) untuk mendapatkan harga enthalpy (h3):
kJ/kg403,44502)15137,01(
]24365,40109949,0[]73737,403)09949,015137,01[()1(
)1(atau
)1()1(
1223
1223
xyhhyxh
yhhyxhx
Entropi pada titik 3
K kJ/kg. 1,73265)15137,01(
]1,7247209949,0[]1,7337)09949,015137,01[()1(
)1(atau
)1()1(
1223
1223
xyssyxs
yssyxsx
Enthalpy pada titik 4 dan 5
Enthalpy pada titik 4
kJ/kg8414,3158)229,03965409,85889(1,107441,717611,717611,73265409,85889
s dimana )(
4
34109109
9494
h
shhsssshh
Analisa pada mixer chamber (MC2) untuk mendapatkan harga enthalpy (h3):
kJ/kg 413,64123]409,8588915137,0[]8414,3158)15137,01[(
)1( 945
xhhxh
Entropi pada titik 5
K kJ/kg. 1,73037]1,7176115137,0[]1,73265)15137,01[(
)1( 945
xssxs
Titik 6
567676
6666 s dimana )(
shhss
sshh a
a
aa
Untuk nilai h6a dan s6a merupakan uap saturasi pada Tk = 40 oC:
h6a = 419,58 kJ/kg
s6a = 1,7115 kJ/kg. K
h7 = 256,41 kJ/kg
s7 = 1,1903 kJ/kg. K
maka,
kJ/kg425,48756)256,41419,58(1,19031,71151,71151,73037419,586
h
Tabel 1. Rangkuman sifat-sifat thermodinamika R-134a pada setiap titik
Titik Enthalpy (kJ/kg) Entropy (kJ/kg. K)
1 392,75 1,7337 2 403,73737 1,7337 3 403,44502 1,73265 4 414,31588 1,73265 5 413,64123 1,73037 6 425,48756 1,73037 7 256,41 1,1903 8 256,41 9 409,85889 1,71761
10 229,03965 1,10744 11 229,03965 12 401,24365 1,72472 13 206,16939 1,02225 14 206,16939
2. Analisa statistik siklus kompresi uap multi tingkat kompressor
a. Laju aliran massa refrigeran
Laju aliran refrigeran pada evaporator
kg/s18,84440kJ/kg)16939,20675,392(
)kW/TR(516,3TR1000)( 141
hh
Qm e
e
Laju aliran massa refrigeran akibat pemasangan Fc1
kg/s22,20567kJ/kg)0,151371(
kg/s18,84440)1(
x
mM e
x
Laju aliran massa akibat pemasangan Fc2
kg/s25,15471kJ/kg)0,099491513701(
kg/s18,84440)1(
,yx
mM e
y
b. Kerja kompressor
Kerja kompressor tingkat 1
kW 207,05040kJ/s 207,05040
kJ/kg 392,75)403,73737(kg/s18,84440)( 121,
hhmW ec
Kerja kompressor tingkat 2
kW 273,45333kJ/s 273,45333
kJ/kg 403,44502)414,31588(kg/s25,15471)( 342,
hhMW yc
Kerja kompressor tingkat 3
kW 263,05569kJ/s 263,05569
kJ/kg 413,64123)425,48756(kg/s22,20567)( 563,
hhMW xc
Kerja total kompressor
kW 743,55942kW )0556926345333273207,05040(3,2,1,
,,
WWWW ccctotal
c. COP sistem
4,72861kW 743,55942
)kW/TR(516,3TR1000
total
eW
QCOP
Contoh soal: Sistem Refrigerasi Modifikasi
Sebuah siklus kompressi uap ideal (seperti gambar) dengan menggunakan refrigeran R-134a
dimodifikasi dengan menambahkan sebuah APK. R-134a keluar dari evaporator pada kondisi
uap saturasi dan tekanan 1 bar. Akibat penambahan APK kondisi uap saturasi ini menjadi uap
superheat pada temperatur 5 oC sebelum masuk kompressor. Pada kompressor, uap
dikompresi sampai tekanan 18 bar, kemudian masuk kekondensor dan keluar kondensor pada
temperatur 40 oC. Cairan refrigeran ini, kemudian diekspansikan sampai tekanan evaporator.
Jika laju aliran refrigeran sebesar 12 kg/menit. Tentukanlah: (a) kapasitas refrigerasi, (b) kerja
kompressor dalam kW, dan (c) COP sistem.
Penyelesaian:
Diketahui, SKU seperti gambar:
Pe = P4 = P1u = P1 = 1 bar
T1 = 5 oC (uap superheat)
Pk = P2 = P3u = P3 = 18 bar
refm = 12 kg/menit
Ditanya:
a. Kapasitas refrigerasi
b. Kerja kompressor dalam kW
c. COP
a. Analisa sifat thermodinamika pada setiap titik
Titik 1u pada P1u = 1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa, dengan menggunakan NIST ssoftware:
diperoleh:
T1u = -26,36119 oC
h1u = 382,59924 kJ/kg
s1u = 1,74749 kJ/kg. K
Gambar Siklus kompresi uap modifikasi
Gambar. Diagram p – h
Titik 1 adalah kondisi uap superheat masuk kompressor pada P1 = 0,1 MPa dan T1 = 5 oC,
dengan menggunakan NIST ssoftware:
diperoleh:
h1 = 407,82400 kJ/kg ; s1 = 1,84368 kJ/kg. K
Titik 2 adalah titik akhir kerja kompressor, pada kondisi s2 = s1 = 1,84368 kJ/kg. K dan P2 =
18 bar = 1,8 MPa, dengan menggunakan NIST ssoftware:
diperoleh:
h2 = 478,20134 kJ/kg ; T2 = 104,31603 oC.
Titik 3u adalah titik cairan jenuh keluar dari kondensor pada P3u = 1,8 Mpa, dengan
menggunakan NIST ssoftware:
diperoleh:
h3u = 292,25616 kJ/kg ; T3u = 62,89505 oC.
Untuk titik 3, berdasar keseimbangan energi pada APK, dapat diperoleh:
0)()( 1133 hhhh uu
atau
kJ/kg 267,03140kJ/kg ]292,25616407,82400)59924382[(
)( 3113
,hhhh uu
Titik 4 adalah proses ekspansi isentropis, maka:
h4 = h3 = 267,03140 kJ/kg
b. Analisa statistik sistem
Kapasitas refrigerasi
refrigrant of Tons 8,00868kW 28,15852
kJ/kg )03140,267407,82400(tdetik/meni 60
kg/menit 12)( 41
hhmQ ee
Kerja kompressor dalam (kW)
kW 14,07547kJ/kg )82400407478,20134(tdetik/meni 60
kg/menit 12)( 12 ,hhmW ec
COP sistem
2,00054kW 14,07547kW 28,15852
c
eWQCOP
Contoh soal: Siklus Kompressi Gas
Pada sebuah siklus gas yang menggunakan udara sebagai refrigeran, kondisi udara masuk
kompressor adalah 1 bar 270 K dengan laju aliran volume 1,4 m3/s. Jika rasio kompressi
adalah 3 dan temperatur masuk turbin 300 K. Untuk COP dari sistem ini ditambahkan sebuah
regenerator seperti gambar dibawah, sehingga akibatnya temperatur udara masuk kompressor
menjadi 280 K dan temperatur udara masuk turbin menjadi 290 K. Akibat adanya modifikasi
ini, tentukanlah (a) daya input ke dalam siklus ini, (b) kapasitas refrigerasi, (c) COP.
Penyelesaian:
Diketahui: seperti soal dan gambar diatas
Kondisi sebelum modifikasi
T1 = 270 K
P1 = 1 bar
T3 = 300 K
r = p2/p1 = 3
V1 = 1,4 m3/s
Kondisi setelah ada modifikasi
T1' = 280K
T3' = 290 K
Ta = T3 = 300 K
Sifat udara, dimana siklus gas tidak dimodifikasi:
Titik 1 adalah kondisi udara masuk kompresor, pada T1 = 270 K
h1 = 270,11 kJ/kg pr1 = 0,9590
Titik 2 adalah kondisi udara keluar dari kompresor
2,87739590,012 rprpr
dan
kJ/kg 370,101360,5867370(2,6268922
87728922673702
,,
,,,h
Titik 3 adalah kondisi udara masuk ke turbin, pada T3 = 300 K
h3 = 300,19 kJ/kg pr3 = 1,3860
Titik 4 adalah kondisi udara keluaran turbin
0,4623/13860,1/134 rprpr
dan
kJ/kg 218,974209.97219,97(0,39870,4690
462,00,4690219,974
h
Sifat udara setelah ada modifikasi:
Pada T1' = 280 K (udara masuk kompresor):
h1' = 280,13 kJ/kg pr1' = 1,0889
Pada titik 2 dimana r = 3
3,266730889,112 rprpr dan
kJ/kg 383,776380,77390,88(3,1763,481
3,26673,481390,882
h
Pada titik a adalah temperatur udara keluaran dari APK-2, Ta = T3 = 300 K
ha = 300,19 kJ/kg pra = 1,3860
Temperatur masuk ke turbin adalah keluaran dari Regenerator
T3' = 290 K
h3' = 290,16 kJ/kg pr3' = 1,2311
Titik 4 adalah kondisi udara keluaran turbin
0,41043/12311,1/134 rprpr dan
kJ/kg 211,634209,97219,97(0,39870,46900,41040,4690219,974
h
Pada titik b adalah kondisi udara keluar dari APK-1, maka dari keseimbangan energi pada
regenerator dapat ditentukan:
kJ/kg 270,1
0)16,29019,300()280,13(0)'()'( 31
b
b
ab
h
hhhhh
Laju aliran massa udara pada sistem:
kg/s 1,742N.m10kJ1
bar1N/m10
K28097,28
kJ314,8bar1/sm4,1
3
253
1
11
TMR
pVmu
Analisa statistik sistem yang dimodifikasi:
a. Daya input ke dalam siklus
W43,75904kJ/kg 211,634)]16,290(280,13)776383[(/742,1)]'()'[( 4312
,skghhhhmW usiklus
b. Kapasitas refrigerasi
W101,8478kJ/kg)634,2111,270(kg/s742,1)( 4 hhmQ buE
c. COP
2,327W75904,43
W101,8478
siklus
EW
QCOP
Contoh soal: Siklus Refrigerasi Absorpsi
Sebuah siklus absorpsi sederhana, menggunakan pasangan amonia-air sebagai refrigeran-
absorbent. Amonia murni masuk kondensor pada tekanan 3200 kPa dan 70 oC. Setelah
mengalami kondensasi, amonia keluar dari kondensor dengan kondisi cair jenuh dan
diekspansikan sampai tekanan 220 kPa. Amonia keluar dari evaporator pada kondisi uap
saturasi. Sebagai sumber panas digenerator digunakan energi surya dengan laju penyinaran
550 W/m2. Luas total kolektor yang digunakan adalah 31,5 m2 dan efisiensi 75%. Jika COP
sistem ini diasumsikan sebesar 0,8. Tentukanlah laju aliran massa amonia yang masuk ke
evaporator.
Penyelesaian:
Diketahui: Siklus absorpsi sederhana dengan data:
Refrigeran-Absorbent: Pasangan amonia-air
- Data amonia pada kondensor
Tekanan masuk kondensor (pk) = 3200 kPa
Temperatur kondensor (Tk) = 70 oC
Kondisi amonia keluar kondensor = cairan jenuh/saturasi
- Data amonia pada evaporator
Tekanan ekspansi masuk evaporator (pe) = 220 kPa
Kondisi amonia keluar evaporator = uap jenuh/saturasi
- Data generator
Sumber panas generator adalah energi surya dengan laju penyinaran = 550 W/m2
Luas total kolektor = 31,5 m2
Efisiensi kolektor = 75%
- COP sistem keseluruhan = 0,8
Ditanya: Laju aliran massa ammonia yang masuk ke evaporator.
Generator
AbsorberEvaporator
Kondensor
Ambient
Conditioned space
QK
QE
145 6
78
23
QA
QG
KE
PompaKE
Gambar Sistem Kompresi Uap Absorbsi
Gambar. p – h diagram siklus kompresi uap absorbsi
Analisa thermodinamika
Langkah pertama adalah menentukan harga enthalpi pada setiap proses/titik. Harga enthalpi
pada titik 1–2–3–4 dimana ammonia sebagai fluida kerjanya, karena keterbatasan data pada
tabel ammonia, maka untuk menentukan harga enthalpinya digunakan REFPROP software
(NIST Standard Reference Database 23 – Version 6.01),
Pada tekanan ekspansi atau tekanan evaporasi pe = 220 kPa, berdasarkan REFPROP
software kondisi uap saturasi diperoleh:
h1 = 1442,19 kJ/kg ; s1 = s2 = 5,85349 kJ/kg. K
Pada tekanan kondensor pk = 3200 kPa dan s2 = 5,85349 kJ/kg. K, berdasarkan REFPROP
software diperoleh:
h2 = 1880,25 kJ/kg kondisi uap panas lanjut
Pada temperatur kondensor Tk = 70 oC kondisi cair jenuh, berdasarkan REFPROP
software diperoleh:
h3 = h4 = 545,042 kJ/kg
Untuk menentukan laju aliran massa ammonia dapat digunakan persamaan:
)(Q 41E hhmr atau
)(
Q
41
Ehh
mr
Dimana QE dapat ditentukan:
GP
EQW
QCOP
Dimana kerja pompa dapat diabaikan, maka:
GEG
E QQQQ
COPCOP
Dimana COP = 0,8, dan panas generator berdasarkan data yang diketahui dapat ditentukan:
kW99375,12W12993,7575,0m 5,31 W/m550 22 GQ jadi
kJ/s 10,395kW 10,395kW99375,128,0COP GE QQ
Oleh karena itu, laju aliran massa ammonia:
kg/s 0,01159kJ/kg 545,042) 1442,19(
kJ/s 10,395)( 41
hh
Qm Er
top related