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 :

3.Konsep proses regenerasialiran gas

Sistem alat regenerasi, atau gambaran sederhana dari alat regenerasi apabila ditinjau sebagai sebuah sistem termodinamika, adalah seperti gambar di bawah ini.

Dalam hal ini, aliran gas buang yang meninggalkan turbin gas dan masih bertemperatur yaitu 420^oC dengan panas jenis 1008 J/kgK dan laju aliran massa 1200 kg/minmasuk ke dalam alat regenerator dengan mengangkut sejumlah energi panas tertentu sebesar E3. Kemudian, setelah melepaskan energi panas sebesar Qp di dalam alat regenerator, aliran gas meninggalkan alat regenerator dengan mengangkut sisa energinya sebesar E4.

Energi panas sebesar Qp tersebut kemudian dipergunakan untuk memanaskan aliran udara yang masuk ke dalam alat regenerator dengan temperatur 180^oC, laju aliran massa 1080 kg/mindan panas jenisnya 1005 J/kgK. Dalam persoalan ini, lat regenerator tersebut kita anggap memiliki efektivitas perpindahan panas sebesar 75%.

Gambar 6.3. skema sistem proses regenerasi aliran gas panas

Kesetimbangan energi pada aliran gas panas

Gambar di bawah ini adalah gambar sistem termodinamika apabila kita tinjau sistem aliran gas yang mengalir masuk dan keluar alat regenerator.

Dalam hal ini aliran gas panas masuk ke dalam alat regenerator dengan mengangkut sejumlah tertentu energi total sebesar E3. Kemudian pada saat aliran gas tersebut berada di dalam sistem aliran gas melepaskan energi panas sebesar Q_gas, yang sama dengan Qp di atas. Setelah itu aliran gas keluar meninggalkan sistem dengan mengangkut sisa energinya yang tinggal sebesar E4.

Gambar 6.4. skema sistem aliran gas panas

Energi panas yang dipindahkan oleh aliran gas panas, yaitu sebesar Q_gas, kemudian diterima oleh aliran fluida udara yang mengalir pada sistem yang berada di samping sistem aliran gas panas. Akibatnya, aliran fluida udara yang menerima sejumlah energi panas energinya, atau temperaturnya menjadi lebih tinggi.

Penerapan prinsip kesetimbangan energi :

Apabila prinsip kesetimbangan energi kita terapkan terhadap keseluruhan energi yang terlibat di dalam sistem tersebut di atas maka kita memiliki persamaan :

(6.5)

Selanjutnya, kita terapkan beberapa asumsi :

a. Aliran gas di dalam sistem tersebut kitanggap dalam keadaan stasioner

b. Kerugian energi karena gesekan dan kehilangan energi panas karena beda temperatur dengan sekeliling kita anggap kecil

c. Beda energi kinetik dan energi potensial antara aliran amsuk dan keluar sistem kita anggap kecil juga

d. Fluida kerja gas yang mengalir di dalam sistem kita anggap sebagai gas ideal

Hasil penerapan anggapan-anggapan tersebut di atas memberikan persamaan :

(6.6)

Atau, besarnya daya termal yang dilepaskan oleh aliran gas dapat dinyatakan sebagai berikut :

(6.7)

Dengan, m_g adalah laju aliran massa gas, dan c_pg panas jenis gas pada tekanan konstan.

Dari soal yang diberikan, diketahui bahwa :

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.

Hal tersebut berarti :

T₃ = 420 ^oC

C_pg = 1008 J/kgK

m_g = 1200 kg/min

sedangkan T₄ adalah temperatur gas yang keluar dari alat regenerator, yang dalam persoalan ini akan dicari besarnya (pertanyaan d.)

Energi panas maksimum yang dapat dilepaskan oleh aliran gas, Q_max

Pada sistem aliran gas panas (gambar 6.4) di atas aliran gas melepaskan sejumlah tertentu energi panas sebesar Q_gas, yaitu akibat dari beda temperatur antara aliran gas masuk dengan temperatur aliran gas saat keluar sistem yang sebesar (T₃-T₄) (lihat persamaan 5.6).

Sementara itu, aliran gas panas yang masuk ke dalam sistem dengan temperatur sebesar T₃ dapat melepaskan energi panas maksimum, apabila temperatur gas keluar sistem, yaitu T₄ besarnya sama dengan temperatur fluida yang terlibat pada sistem tersebut yang paling minimum, yaitu sebesar temperatur aliran udara saat masuk ke sistem, yaitu T₁.

Oleh karena itu kita dapat nyatakan bahwa besarnya laju energi panas maksimum yang dapat dilepaskan oleh gas panas di dalam sistem regenerasi (gambar 6.3) dapat diperkirakan menggunakan persamaan :

(6.8)

Di sini, C_min adalah harga kapasitas panas aliran yang terkecil di antara 2 harga C bagi masing-masing aliran fluida yang bekerja pada alat regenerator atau heat exchanger, di mana harga masing-masing kapasitas panas aliran fluida tersebut adalah:

C_ud = m_ud c_pu (6.8a)

C_gas = m_gas c_pg (6.8b)

Dari soal yang diberikan, diketahui bahwa :

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.

Hal tersebut berarti :

T₃ = 420 ^oC

C_pg = 1008 J/kgK

m_g = 1200 kg/min

dan, diketahui pula bahwa :

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.

Hal tersebut berarti :

T₁ = 180 ^oC

C_pu = 1005 J/kgK

m_u = 1080 kg/min

Selanjutnya, pada tahap ini kita memiliki :

C_pg = 1008 J/kgK

m_g = 1200 kg/min = 20 kg/s

C_pu = 1005 J/kgK

m_u = 1080 kg/min = 18 kg/s

sehingga dengan mudah kita dapat menghitung besarnya kapasitas panas aliran kedua aliran fluida tersebut di atas dengan menggunakan persamaan berikut :

C_ud = m_ud c_pu (6.8a)

C_gas = m_gas c_pg (6.8b)

C_ud = m_ud c_pu = 20160 J/s.K

C_gas = m_gas c_pg= 18090 J/s.K

C_min adalah harga kapasitas panas aliran yang terkecil di antara 2 harga C bagi masing-masing aliran fluida yang bekerja pada alat regenerator

Di sini, C_min= C_gas = 18090 J/s.K

Sekarang kita dapat menghitung laju energi panas maksimum yang dapat dilepaskan oleh gas panas di dalam sistem regenerasi dengan menggunakan persamaan :

(6.8)

Yaitu dengan,

C_min= 18090 J/s.K

T₃ = 420 ^oC = 693 K

T₁ = 180 ^oC = 453 K

Q_max = 4 341 600 J/s

Atau dalam bentuk lain, Q_max= 4 341 600 W, atau Q_max = 4341, 6 kW = 4,3 MW

Oleh karena itu jawab Pertanyaan a)Berapa kW Laju aliran energy panas maksimum yang dapat dipertukarkan di dalam alat tersebut : Q_max = 4341, 6 kW

Untuk menjawab pertanyaan b) Berapa kW Laju aliran energy panas actual atau sebenarnya yang dipertukarkan di dalam alat tersebut, dibawah ini pembahasannya.

Dalam persoalan ini diketahui bahwa : Alat regenerator tersebut memiliki efektivitas perpindahan panas sebesar 75%

Efektivitas perpindahan panasnya (ԑ), yang didefinisikan sebagai perbandingan antara energi panas yang aktual diterima oleh aliran fluida dingin dengan energi panas yang maksimum dapat dilepaskan oleh aliran fluida panas:

(6.11)

Hal ini berarti bahwa : (ԑ) = 75 % = 0,75

Di sini kita memiliki : Q_max = 4 341 600 J/s

Sehingga,

Besarnya energi panas aktual (sebenarnya) diterima oleh aliran udara di dalam regenerator :

Q_ud = 0,75 * 4 341 600 J/s = 3 256 200J/s

Perlu diketahui juga di sini bahwa, dengan menganggap alat regenerator adiabatik artinya tidak ada kerugian energi panas ke sekeliling alat tersebut, maka besarnya energi panas aktual (sebenarnya) yang dilepaskan oleh aliran gas di dalam regenerator :

Q_gas = Q_ud = 3 256 200J/s = 3256,2 kW

Oleh karena itu jawab pertanyaan b) Berapa kW Laju aliran energy panas actual atau sebenarnya yang dipertukarkan di dalam alat tersebut adalah 3256,2 kW.

Selanjutnya, untuk menjawab Pertanyaan c) Berapa ^oC Temperature aliran udara saat meninggalkan alat regenerator maka kita dapat menggunakan persamaan (6.10).

Besarnya daya termal yang diterima oleh aliran udara dapat dinyatakan sebagai berikut :

(6.10)

Dengan menggunakan data :

Q_ud = 3 256 200J/s

T₁ = 180 ^oC = 453 K

C_pu = 1005 J/kgK

m_u = 1080 kg/min = 18 kg/s

kita dengan mudah dapat menghitung besarnya T₂ : Temperature aliran udara saat meninggalkan alat regenerator.

Selanjutnya, untuk menjawab Pertanyaan d) Berapa ^oC Temperature aliran gas saat meninggalkan alat regenerator maka kita menggunakan persamaan (6.7)

Besarnya daya termal yang dilepaskan oleh aliran gas dapat dinyatakan sebagai berikut :