Refrigeran bertekanan

Pembahasansoal QUIZ MODUL – 3

Refrigeran bertekanan 1 MPa dan temperaturnya 90^oC (enthalpinya 240 kJ/kg) dengan laju aliran massa 0,015 kg/s mengalir masuk ke dalam sebuah Kondensor untuk didinginkan oleh aliran air. Setelah mengalami proses pendinginan/pengembunan entahlpi refrigeran turun menjadi 70 kJ/kg.

a.       Berapa Joule energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran tersebut per menit.

b.      Di sisi yang lain, apabila air pendingin masuk kondensor pada temperatur 10 ^oC (enthalpinya 42 kJ/kg) dan keluar kondensor pada temperatur 20 ^oC (enthalpinya 84 kJ/kg) maka perkirakan berapa besalaju aliran massa air pendingin yang diperlukan untuk proses kondensasi tersebut di atas.

Langkah pertama : gambar sistem

Pada tahap ini kita musti membuat gambar sistem termodinamika, yaitu gambar model sederhana yang merepresentasikan persoalan yang sedang akan kita pecahkan.

Pembahasan :

Refrigeran bertekanan 1 MPa dan temperaturnya 90 ^oC dengan laju aliran massa 0,015 kg/s mengalir masuk ke dalam sebuah Kondensor untuk didinginkan oleh aliran air.

Di sini Kata kuncinya : Aliran refrigeran, alat kondensor, didinginkan

Jadi sistemnya dapat menyerupai gambar berikut :

Skemasederhanasebuahmesin yang berfungsimengkondensasikanataumengembunkansuatualiranfluida, yaitumelalui proses pendinginan.

Gambar 3.3.  Volume atur sistem termal untuk proses pendinginan aliran fluida

Pertanyaan a) Berapa Joule energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran tersebut per menit, berarti kita akan mencari berapa harga Q pada gambar di atas

Langkah kedua : persamaan kesetimbangan energi

Prinsip kesetimbangan energi :

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

Bagi sistem tersebut di atas kita memiliki :

(jumlah energi yang masuk ke dalam sistem) =  ( E₁ )

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

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

memberikan persamaan :

E₁   =  ( dE/dt )  +  Q  +  E₂ + dq + dE_f                                                         

Langkah ketiga : penerapan beberapa asumsi

1.       pada analisis ini kita anggap bahwa aliran stasioner, sehingga (dE/dt) = 0

2.       kerugian energi karena gesekan dianggap kecil, dE_f = 0

3.       kehilangan panas ke sekeliling juga dianggap kecil, dq = 0

Oleh karena itu kita memiliki persamaan :   E₁   =  Q  +  E₂                                                               

Atau :     Q = E₁  -E₂          

Kemudian, kita memiliki : E₁ = h₁ + ½ v₁² + gZ₁  dan  E₂ = h₂ + ½ v₂² + gZ₂

Sehingga, besarnya kerja yang dihasilkan turbin dapat dihitung menggunakan persamaan :

Q = E₂  -E₁

Q = (h₁ – h₂)+½ (v₁²- v₂²) + g (Z₁ – Z₂)

Selanjutnya, kita asumsikan beda energi kinetik dan beda energi potensial dianggap kecil dibandingkan dengan beda enthalpi di antara aliran fluida masuk dan aliran fluida keluar alat kondensor.

Oleh karena itu sekarang kita memiliki persamaan :

Q = (h₁ – h₂)

Atau dalam bentuk satuan daya termal,

Q = m_ref(h₁ – h₂)

Langkah keempat : perhitungan

Pertanyaan a) Berapa Joule energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran tersebut per menit.

Berarti kita akan mencari berapa harga Q per satuan waktu dalam menit.

Di sini kita akan menghitung  besarnya Q daya termal dengan menggunakan persamaan :

Q = m_ref(h₁ – h₂)

Dalam soal, diketahui :

Enthalpi refrigerant masuk kondensor h₁ = 240 kJ/kg

laju aliran massa refrigeran, m_ref = 0,015 kg/s

Entahlpi refrigeran keluar kondensor, h₂ = 70 kJ/kg.

Oleh karena itu dengan menggunakan data dan persamaan di atas anda dapat dengan mudah menghitung besarnya Q yang akan anda peroleh hasilnya dalam satuan kJ/s.

Setelah itu anda konversikan dalam satuan kJ/menit.

Pertanyaan b)apabila air pendingin masuk kondensor pada temperatur 10 ^oC (enthalpinya 42 kJ/kg) dan keluar kondensor pada temperatur 20 ^oC (enthalpinya 84 kJ/kg) maka perkirakan berapa besarlaju aliran massa air pendingin yang diperlukan untuk proses kondensasi tersebut di atas.

Prinsipnya adalah :

Laju aliran panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran musti sama dengan laju aliran panas yang diterima oleh aliran air pendingin.

Laju aliran panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran : Q = m_ref(h_1.ref – h_2.ref)

Laju aliran panas yang diterima oleh aliran air pendingin : Q = m_air(h_2.air – h_1.air)

Jadi :    m_ref(h_1.ref – h_2.ref)= m_air(h_2.air – h_1.air)

Diketahui :

Enthalpi refrigerant masuk kondensor h_1.ref = 240 kJ/kg

laju aliran massa refrigeran, m_ref = 0,015 kg/s

Entahlpi refrigeran keluar kondensor, h_2.ref = 70 kJ/kg

Dan,

Enthalpi refrigerant masuk kondensor h_1.air =42 kJ/kg

Entahlpi refrigeran keluar kondensor, h_2.air =84 kJ/kg

Maka dengan menggunakan data tersebut anda dapat dengan mudah menghitung m_air

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              

Konsep proses regenerasialiran gas

TERMODINAMIKA Quiz – 6

Suatu gas panas bertemperatur 420^oC yang berasal dari sebuah turbin dengan panas jenis 1008 J/kgK, dialirkan masuk ke dalam sebuah alat regenerator dengan laju aliran massa 1200 kg/min. Di dalam alat tersebut aliran udara yang bertemperatur 180^oC mengalir masuk namun dari sisi dan arah yang berlainan dengan laju aliran massa 1080 kg/min, dan panas jenisnya 1005 J/kgK. Apabila diketahui bahwa alat regenerator tersebut memiliki efektivitas perpindahan panas sebesar 75% maka :

a)    Berapa kW Laju aliran energy panas maksimum yang dapat dipertukarkan di dalam alat tersebut

b)    Berapa kW Laju aliran energy panas actual atau sebenarnya yang dipertukarkan di dalam alat tersebut

c)    Berapa ^oC Temperature aliran udara saat meninggalkan alat regenerator

d)    Berapa ^oC Temperature aliran gas saat meninggalkan alat regenerator

Untukmembahaspersoalan di atasmakaandadapatmereviewkembalimateri yang dibahaspada modul-6, paragraph 3 seperti di bawahini :

Motor Pembakaran Dalam dan Bahan Bakar

Alkohol merupakan salah satu dari sekian banyak sumber energi pengganti, antara lain : tenaga air, panas matahari, batu bara, angin, nuklir, dan lain-lain. Dalam hal ini dipilih alkohol sebagai alternatif pengganti bahan bakar bensin premium atas pertimbangan – pertimbangan sebagai berikut :

MOTOR BAKAR : Mesin Pembakaran Dalam Bahan Bakar

Salah satu penggerak mula yang banyak digunakan adalah mesin kalor. Mesin kalor adalah mesin yang mempergunakan energi termal untuk melakukan kerja mekanik, atau yang merubah energi termal menjadi energi mekanik. Dimana energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses pembakaran, proses fisi (pemisahan) bahan bakar nuklir dan dari proses lainnya.

Jika dilihat dari cara memperoleh energi termal, mesin kalor dibagi menjadi dua golongan, yaitu Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engines) dan Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engines).

Pada dasarnya motor-motor bakar didefinisikan sebagai suatu pesawat atau mesin tenaga, dimana tenaga yang dihasilkan dari energi panas hasil pembakaran bahan bakar di dalam silinder, energi diubah menjadi energi tekan untuk menggerakan torak dari TMA (Titik Mati Atas) menuju TMB (Titik Mati Bawah). Karena torak dihubungkan dengan batang penghubung untuk menggerakan poros engkol. Gerakan poros engkol disebut juga dengan energi mekanis. Oleh sebab itu motor bakar sering juga disebut pesawat kalor dengan pembakaran di dalam “Internal Combustion Engine”.

1.  Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah

Apabila ditinjau dari prinsip kerjanya pada mesin sepeda motor maupun mesin mobil dapat dibedakan menjadi dua, yaitu motor bensin empat langkah dan motor bensin dua langkah. Pada umumnya mesin mobil dan sepeda motor mempergunakan mesin empat langkah, dimana setiap proses pembakaran terjadi pada empat langkah gerakan piston atau dua kali putaran poros engkol. Dengan anggapan bahwa katup masuk dan katup keluar terbuka dan tertutup tepat pada waktu piston berada pada TMA dan TMB. Piston bergerak di dalam silinder diantara bagian atas silinder dan bagian bawah silinder. Panjang atau jarak gerak piston dari TMA sampai TMB disebut panjang langkah piston atau stroke.

            Campuran udara dan bensin yang berasal dari karburator dihisap ke dalam silinder oleh piston. Campuran ini kemudian dikompresikan ke TMA, sehingga mengakibatkan naiknya temperatur dan tekanan di dalam silinder (ruang bakar). Bersamaan dengan itu busi memercikan bunga api listrik yang mengakibatkan terjadinya proses pembakaran di dalam silinder. Dengan terjadinya pembakaran maka tekanan dan temperatur semakin meningkat, sehingga piston akan terdorong ke bawah akibat tekanan yang tinggi.

Refrigeran bertekanan

Refrigeran bertekanan 1 MPa dan temperaturnya 90 ^oC (enthalpinya 240 kJ/kg) dengan laju aliran massa 0,015 kg/s mengalir masuk ke dalam sebuah Kondensor untuk didinginkan oleh aliran air. Setelah mengalami proses pendinginan/pengembunan entahlpi refrigeran turun menjadi 70 kJ/kg.

a.       Berapa Joule energi panas yang dilepaskan oleh aliran refrigeran tersebut per menit.

b.       Di sisi yang lain, apabila air pendingin masuk kondensor pada temperatur 10 ^oC (enthalpinya 42 kJ/kg) dan keluar kondensor pada temperatur 20 ^oC (enthalpinya 84 kJ/kg) maka perkirakan berapa besa laju aliran massa air pendingin yang diperlukan untuk proses kondensasi tersebut di atas.