Proses kompresi dan Ekspansi aliran gas

Quiz TE– 5  Proses kompresi dan Ekspansi aliran gas

Untuk membantu anda agar mampu menerapkan konsep Proses kompresi dan Ekspansi aliran gas yang telah dibahas pada modul 5 maka di bawah ini diberikan gambaran pembahasan secara terperinci soal quiz tatapmuka ke-5.

Pada sebuah mesin kompresor aliran udara bertekanan 0,9 atm dan bertemperatur 32 ^oC mengalir masuk kompresor dengan laju aliran massa 15 kg/s dan kemudian dikompresikan sehingga tekanannya meningkat menjadi 6 atm. Apabila aliran dianggap stasioner, gesekan dan kerugian panas diabaikan, beda energi kinetik dan energi potensial di antara aliran masuk dan keluar kompresor juga diabaikan, dan udara dianggap memiliki panas jenis tekanan konstan sebesar 1005 J/kg-K dan panas jenis volume konstan sebesar 717,8 J/kg-K maka :

a)    Berapa  ^oC temperatur udara isentropik saat meninggalkan kompresor

b)    Berapa kJ/kg energi mekanik dalam bentuk Kerja isentropik yang diperlukan bagi proses kompresi tersebut

c)    Apabila kompresor memiliki efisiensi isentropik 87%, Berapa kJ/kg Kerja sebenarnya yang diperlukan bagi proses kompresi tersebut

d)    Berapa kW daya sebenarnya yang diperlukan bagi proses kompresi tersebut

e)    Sekarang, Berapa  ^oC temperatur udara sebenarnya saat meninggalkan kompresor bila :

f)     Selanjutnya, apabila aliran udara yang keluar dari kompresor kemudian dipanaskan pada sebuah alat pemanas sehingga temperaturnya meningkat menjadi 800 ^oC pada tekanan konstan maka berapa kJ/kg energi panas bahan bakar yang diperlukan untuk keperluan tersebut

Pembahasan :

Langkahpertama :Gambarsistem

Pertama-tama yang mustikitalakukandalammemecahkanpersoalanteknikadalahmembuatgambar system sistem daripersoalan yang sedangkitabahas.

Cobakitaamatisoal di atas :

Pada sebuah mesin kompresor aliran udara bertekanan 0,9 atm dan bertemperatur 32 ^oC mengalir masuk kompresor dengan laju aliran massa 15 kg/s dan kemudian dikompresikan sehingga tekanannya meningkat menjadi 6 atm.

Padasoal di atasdapatkitacermatibahwapersoalanpokoknyaadalah :aliranudara yang dikompresikan di dalamsebuahkompresor.

Jadisistemnyaadalahaliranudaradankompresor

Dan kitadapatmenggambarkansistemnyasepertigambar di bawahini :

Langkah kedua : Penerapan prinsip kesetimbangan energy (hukum pertama termodinamika)

Pada langkah kedua kita terapkan prinsip kesetimbangan energy bagi sistem di atas, bahwa :

(Jumlah energi yang masuk ke dalam sistem) = (perubahan energi yang terjadi di dalam sistem) + (jumlah energi yang keluar dari sistem)

Apabila kita cermati semua bentuk energy yang terlibat padagambar system tersebut di atas maka :

(Jumlah energi yang masuk ke dalam sistem) = ( E₁ + W_k )

 (perubahan energi yang terjadi di dalam sistem) = ( dE/dt )

(jumlah energi yang keluar dari sistem) = ( E₂ + dq + dE_f)

Sehingga, persamaankekekalan energynyamenjadi :

E₁ + W_k  =  dE/dt  +  E₂ + dq + dE_f

Langkah ketiga : asumsi-asumsi

Agar penerapan prinsip kesetimbangan energy di atas dapat ditanggapi lebih lanjut maka kita perlu menerapkan beberapa asumsi yang memadai :

a.    Aliranudaramasuk-keluarkompresorkitaanggapstasioner, sehinggadE/dt = 0

b.    Kerugian energy alirankarenagesekankitaanggapkecil, sehinggadE_f = 0

c.    Kehilangan energy panasmelaluidindingkompresorkarenaadanyabeda temperature dengansekelilingnyadianggapkecil, sehinggadq = 0

d.    Beda energy kinetic danbeda energy potensial di antaraaliranmasukdankeluarkompresordianggapkecil

e.    Udaradianggap gas ideal, sehingga dh = c_pdT

Apabilaasumsi-asumsitersebut di ataskitaterapkanmakakitamemilikipersamaan:

E₁ + W_k  =   E₂

W_k  =   E₂ - E₁

W_k = ( h₂ - h₁) = c_p ( T₂ – T₁ )

Selanjutnya, karena proses kompresidaritingkatkeadaan (1) ketingkatkeadaan (2) adalah proses kompresi yang ideal atau isentropic, di manaentropinyakonstan, makatingkatkeadaankeluarkompresormustitingkatkeadaan yang isentropic, dankitasebutsebagaitingkatkeadaan (2s), sehinggakerja yang diperlukanuntukmemutarkompresorjugadinamakankerja isentropic (Wks) :

W_ks = ( h_2s - h₁) = c_p ( T_2s – T₁ )

Di sinic_p adalah konstanta panas gas pada tekanan konstandanharganyadiketahui, yang bagi fluida udara harganya kitaanggap : c_p = 1005 J/kgK.

Dalampersoalankitadiketahuibahwa :

Pada sebuah mesin kompresor aliran udara bertekanan 0,9 atm dan bertemperatur 32 ^oC mengalir masuk kompresor dengan laju aliran massa 15 kg/s dan kemudian dikompresikan sehingga tekanannya meningkat menjadi 6 atm.

Di sini :p1 = 0,9 atm, p2 = 6 atm, T1 = 32 ^oC, m_u = 15 kg/s

Sedangkanharga T2s belumdiketahui, sehinggaperludihitungterlebihdahulu.

Langkah keempat : Perhitungan

Tujuanutamaperhitungan di siniadalahuntukmemperkirakanbesarnyakerjakompresor isentropic melaluipersamaan :

W_ks = c_p ( T_2s – T₁ )                           

T₁adalahtemperaturudaramasukkompresor, diketahuisebesar T₁ = 32^oC, dankonstanta gas c_p = 1005 J/kgK. Sedangkan T_2syaitu temperature udaraisentropikkeluarkompresorbelumdiketahuisehinggaperludicariterlebihdahulu.

Langkah kelima : Perhitungan T_2s

Karena proses kompresinyakitaanggap isentropic atauteoritismaka temperature udarakeluarkompresor isentropic, T_2sdapatdihitungmenggunakanpersamaan (5.22) :

T_2s / T₁  =  ( P_2s  / P₁ ) ^k-1/k

Teknisnyaadalahsebagaiberikut :

Pada studikasusini, diketahui :

Ø  aliran udara memasuki kompresor pada tekanan 1 atm dan temperatur 32^oC, jadi p₁ = 1 atm, dan T₁ = 32^oC = ( 32 + 273 ) K = ………K

Ø  perbandingan tekanan di kompresor adalah 4, jadi (p_2s/p₁) = ( 6/0,9) = …………..

Ø  konstanta k untukudarakitaanggap : k = 1,4

Selanjutnyabesarnya T_2s dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

T_2s / T₁  =  ( P_2s  / P₁ ) ^k-1/k

Langkah keenam : Perhitungan W_ks

PadatahapinikitasudahmemilikihargaT_2s =   …… K, juga T1 =…………..K

Sehinggabesarnyakerjakompresor isentropic dapatdenganmudahdihitungmenggunakanpersamaan:

W_ks = c_p ( T_2s – T₁ )                           

Denganc_p = 1005 J/kgK

Langkah ketujuh : Perhitungan W_k

Di siniW_kadalahbesarnya kerja actual (ataukerjasebenarnya) yang dibutuhkan oleh kompresor, yang dapatdenganmudahdihitungmelaluipersamaan (5.34) :

W_k =  W_ks  /  η_k

Dalamstudikasusinibesarnyaefisiensi isentropic kompresordiketahuisebesar :η_k = 0,87sehinggakitadenganmudahdapatmenghitungW_k = ……….  J/kg

Langkah kedelapan : Perhitungan daya yang dibutuhkan oleh kompresor

Daya yang dibutuhkan oleh kompresoradalahkerja yang diperlukankompresordikalikandenganlajualiranmassafluida yang mengalir di dalamnya, danbesarnyadapatdihitungmenggunakanpersamaanberikut:

                          (5.40)

Di sini, m_gasadalahlajualiranmassa gas yang mengalirkedalamkompresor (kg/s)

Padapersoalan yang menjadiobjekstudikita, laju aliran massa gas diketahuisebesar15 kg/s, sehinggakitadapatmenghitungbesarnyadaya yang diperlukanuntuk proses kompresi, dandiperolehsebesar = ………….J/s  =  ………W  =………….. kW.

Sekarang, Berapa  ^oC temperatur udara sebenarnya saat meninggalkan kompresor :

W_k = c_p ( T₂ – T₁ )                              

Atau :

W_k/ c_p= ( T₂ – T₁ )                              

( W_k/ c_p ) + T₁=  T₂                            

T₂  =  ( W_k/ c_p ) + T₁              

Share this

Share on FacebookPlus on Google+