5. Pemindahan Energi Panas dari Temperatur Rendah ke

Temperatur Tinggi dengan Pasokan Energi Kerja: Siklus Refrigerasi

TK2901-01: Termodinamika Proses

Kelas Rekayasa Paska Panen

Prof. Yazid Bindar

Dr. Megawati Zunita

Teknik Kimia, FTI, ITB

5.1. Mesin pemindah panas dari temperatur rendah ke temperatur tinggi

i. Mesin pemindah panas dari temperatur rendah TC ke temperatur tinggiTH digambar oleh siklus Carnot dengan cara memasukkan kerja ke dalam mesin ini,

ii. Mesin ini dikenal juga dengan nama pompa panas

iii. Prosesnya dikenal dengan proses refrigerasi

iv. Siklus Carnot sebagai mesin pompa panas ini di gambar pada diagram berikut

v. Jumlah panas yang diambil dari temperatur rendah adalah Qc

vi. Jumlah panas yang dibuang ke ruang temperatur tinggi adalah QH

vii. Jumlah kerja yang dipasok adalah W

viii. Siklus fluida memberikan perubahan energi dalam fluida menjadi nol sehingga W = -(QC+QH)

ix. Koefisien kinerja mesin pemindah panas ini dinyatakan sebagai COPyang didifinisikan sebagai COP = QC/W

TH

TC

5.2. Siklus refrigerasii. Mesin pompa panas dibentuk oleh siklus Carnot sebagai proses refrigerasi

ini melibatkan siklus fluida refrijiran.

ii. Fluida refrijiran campuran cair-uap pada tekanan rendah dan temperatur jauh di bawah temeratur ruang ( lebih kecil dari oC) dinyatakan sebagai kondisi 1

iii. Fluida refrigiran cair-uap diuapkan dalam evaporator dengan mengambil sebesar QC dari ruang dingin sehingga refrijeran berubah ke kondisi uap jenuh semuanya pada temperatur rendah TC sebagai kondisi 2,

iv. Uap jenuh refrigeran pada tekanan rendah dan temperatur rendah kondisi 2 dikompresi ke tekanan tinggi dan temperatur tinggi sebagai kondisi 3 sebagai uap lewat jenuh oleh sebuah kompressor dengan kerja yang dipasok sebesar W

v. Refrigeran uap lewat jenuh kondisi 3 tekanan tinggi temperatur tinggi dicairkan ke kondisi cair jenuh sebagai kondisi 4 pada temperatur pencairan TH yang di atas temperatur ruang sehingga panas diambil dari refiregran sebesar QH yang dibuang ke lingkungan yang panas.

vi. Refrigiran cair jenuh kondisi 4 diturunkan tekanannya ke tekanan rendah dalam sebuah valve (Throtlle Valve) pada entalpi tetap sehingga temperatur turun sampai di bawah 0 oC yang kembali sebagai kondisi 1 di atas

Ruang dingin,TC

QC

Ruang Panas,TH

QH

W

5.3. P-H dan TS diagram Siklus refrigerasi

P-H diagram siklus refriferasi. T-S diagram siklus refriferasi.

5.4. Persamaan termodinamika Siklus refrigerasii. Laju massa fluida refrigiran dalam siklus refrigerasi adalah ሶ𝑚𝑅

ii. Laju panas yang diambil dari temperatur rendah sebagau QC dinyatakan sebagai

𝑄𝐶 = ሶ𝑚𝑅 ℎ2 − ℎ1

iii. Laju kerja yang dipasok oleh kompresor ke fluida refrigeran

𝑊 = ሶ𝑚𝑅 ℎ3 − ℎ2

iv. Laju panas yang dikeluarkan dari fluida refrigeran pada temperatur tinggi adalah

𝑄𝐻 = ሶ𝑚𝑅 ℎ4 − ℎ3

i. 𝑊 = − 𝑄𝐶 + 𝑄𝐻

ii. Efisiensi kompressor : 𝜂𝐾 =ℎ3′−ℎ2

ℎ3−ℎ2

v. Koefisien performa siklus refrijerasi adalah

𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝐶

𝑊=

ℎ2−ℎ1

ℎ3−ℎ2=

𝑄𝐶

− 𝑄𝐶+𝑄𝐻=

1

− 1+𝑄𝐻/𝑄𝑐

Kondisi pendekatan ideal Carnot: 𝐶𝑂𝑃 =1

− 1−𝑇𝐻/𝑇𝑐=

𝑇𝐶

𝑇𝐻−𝑇𝐶

vi. Laju massa fluida refrigeran yang diperlukan adalah

ሶ𝑚𝑅 =𝑄𝐶

ℎ2−ℎ1

3’

Kasus 5.1Evaporasi pada siklus refrigerasi dengan refrigeran HFC-134a dilangsungkan pada temperatur -25°C. Laju panas pada evaporasi ini diketahui sebesar 100000 kJ/h. Kondensasi pada kondensor pada siklus ini dilangsung pada temperatur 26°C. Kompresi pada kompresor berlangsung Refrigeran adalah 1,1,1,2-tetrafluoroethane (HFC-134a) secara isentropis. Data refrigeran ini diberikan pada Tabel 9.1 dan Gambar. F.2 (App. F). Siklus ini mengikuti kondisi yang digambarkan pada gambar pH diagram

a). Tentukan temperatur pada evaporator (T1 dan T2 atau TC ) .

b). Tentukan tekanan pada evaporator (P1=P2)

c). Tentukan temperatur kondensor (T4 atau TH).

d). Tentukan tekanan keluar kompressor

e). Tentukan temperatur dan entalpi keluar kompressor (T3 dan h3)

f). Tentukan jumlah panas yang ditambahkan ke evaporator per satuan massa refrigiran

g) Berapa jumlah panas yang harus dikeluarkan pada kondensor per satuan massa refrigiran

h). Berapa jumlah kerja yang dipasok ke kompresor per satuan massa refrigeran

i) Tentukan koefisien performa siklus refiregrasi

j) Tentukan laju massa refrigiran dalam siklus.

Kasus 5.1Solusi Kasus 2.2

a) Ruang yang didinginkan dijaga pada temperatur -20 oC.

Temperatur pada evaporator refrigeran dijaga berbeda 5 oC dari temperatur ruang yang didinginkan, maka temperatur evaporator ini adalah (-20-5) oC = -25 oC. Maka T1 = T2 = TC= -25 oC

b) Pada temperatur evaporasi -25 oC, maka tekanannya adalah 1,064 Bar. P1 = P2 = 1,064 Bar

c) Air pendingin pada kondensor tersedia pada temperatur 21 oC. Maka kondensasi dengan air pendingin ini memiliki temperatur kondensasi paling rendah pada T = (21 + 5) oC = 26 oC. Jadi T4 = TH = 26 oC.

d) Tekanan pada kondensor adalah tekanan dengan temperatur jenuh26oC. Pada temperatur ini, maka tekanannya adalah 6,854 Bar.

e) Entropi s2=s3. s2 = 1,746 kJ/(K kg). Pada s3=1,746 dan P3=6,854 Bar,

Dari Grafik PH atau kalculator pH refrigiran ini, maka diperoleh T3= 308 K dan h3 = 422 kJ/kg.

Kasus 5.1Solusi Kasus 2.2

f) Jumlah panas pada evaporator persatuan massa refrigiran:

qc = h2- h1= h2 - h4.

pada tabel h2 = 383,45 kJ/kg, h4 = 235,97 kJ/kg.

maka qc = (383,45 – 235,97) kJ/kg = 147,8 kJ/kg

g). Jumlah panas yang keluar dari kondensor persatuan massa refrigiran:

qh = h4- h3; h4= 235,957 kJ/kg dan h3 = 422 kJ/kg.

qh = (236 – 422) kJ/kg = - 186 kJ/kg

h) w = -(qc+qh) = -(147,8-186) kJ/kg = 38,6 kJ/kg

i) Koefisien performa siklus refrigerasi : COP = 147,8/38,6 = 3,826

j) Laju massa refirigeran : ሶ𝑚𝑅 =𝑄𝐶

ℎ2−ℎ1=

100000 𝑘𝐽/ℎ

147,8 𝑘𝐽𝑘𝑔= 678

𝑘𝑔

ℎ

Kasus 5.2Suatu sistem refrigerasi kompresi uap mensirkulasikan Refrigeran 134a dengan laju 6 kg/menit. Refrigeran masuk kompresor - 10 oC, 1,4 bar, dan keluar pada 7 bar. Efisiensi kompresor isentropik adalah 67%. Tidak ada penurunan tekanan yang berarti saat refrigeran mengalir melalui kondensor dan evaporator. Refrigeran meninggalkan kondensor pada 7 bar, 24 oC. Dengan mengabaikan perpindahan panas antara kompresor dan sekitarnya, tentukan

(a) Koefisien performa siklus refrigerasi .

(b) Laju panas pemanas pada evaporator

(c) Daya kompressor dalam kW

Solusi Kasus 5.2• Gambarkan siklus dalam diagram pH. Uap masuk kompressor pada p=1,4 Bar dan

T = -10 oC berada pada kondisi uap lewat jenuh sebagai kondisi 1. Maka h1diperoleh sebesar 394,44 kJ/kg dan s1 = 1,7728 kJ/(kg K)

• Kompresi isentropik pada kompresor dengan tekanan keluar 7 Bar menghasilkan temperatur 43 oC dengan s2 = 1,7728 dan h2’ = 429,35 kJ/kg

• Efisiensi kompressor isentropik 𝜂𝐾 =ℎ2′−ℎ1

ℎ2−ℎ1; ℎ2 = ℎ1 +

ℎ2′−ℎ1

𝜂𝐾;

𝜂𝐾 = 0,67, ℎ2′ − ℎ1=(429,35 – 394,44) kJ/kg = 34,91, maka h2 = 446,54 kJ/kg

• Entalpi kondisi 3 adalah entalpi cair jenuh pada tekanan 7 Bar diperoleh sebesar 236,88 kJ/kg. Entalpi kondisi 4 juga bernilai 236,88 kJ/kg.

• Maka jumlah panas evaporator per satuan massa refrigeran

qc = h1 – h4 = (394,44 – 236,88) kJ/kg = 157,56 kJ/kg

• Jumlah kerja w per satuan massa refrigeran :

w = h2 – h1 =( 446,54 – 394,44) kJ/kg = 52,1 kJ/kg

(a) Koefisien performa siklus refrigerasi COP = qc/w = 157,56/52,1 = 3,02

(b) Laju pemanasan pada evaporator :

Qc = mR qc = 6 kg/menit x 157,66 kJ/kg = 945 kJ/menit = 15,76 kW

(c) Daya kompressor W = = mR w = 6 kg/menit x 52,1 kj/kg = 312,6 kJ/menit = 5,2 kW

1,4 Bar,-10 oC

5.5 Siklus Refrigerasi Bertingkat

i. Temperatur lingkungan tempat pembuangan panas sebesar QH pada temperatur tinggi TH

membatasi temperatur dingin TC dalam siklus tunggal untuk mengambil panas dari ruangan temperatur rendah ini sebesar QC

ii. Untuk mendapatkan temperatur TC yang lebih rendah lagi, maka temperatur TH dibuat lebihrendah dengan cara kondensor siklus 1 digunakan juga sebagai evaporator siklus 2, sehingga TH siklus 1 bisa rendah dan TC siklus 1 yang juga dihasilkan menjadi sangat rendah

iii. Siklus refrigerasi seperti ini disebut siklus refrigerasi bertingkat dua seperti yang diberikan pada gambar berikut

ሶ𝑚𝑅1

ሶ𝑚𝑅2

𝑄𝐻2

𝑄𝐻1 𝑄𝐶2

𝑄𝐶1

1 2

34

𝑇𝐶2

𝑇𝐶1

𝑇𝐻1

𝑇𝐻2

5 6

7

8

Persamaan termodinamika Siklus refrigerasi dua tingkat

i. TH1 harus lebih dari TC2

ii. Laju panas yang diambil dari temperatur rendah sebagau QC dinyatakan sebagai

𝑄𝐶1 = ሶ𝑚𝑅1 ℎ2 − ℎ1 ; 𝑄𝐶2 = ሶ𝑚𝑅2 ℎ6 − ℎ5

iii. Laju kerja yang dipasok oleh kompresor ke fluida refrigeran

𝑊1 = ሶ𝑚𝑅1 ℎ3 − ℎ2 ; 𝑊2 = ሶ𝑚𝑅2 ℎ7 − ℎ6

iv. Laju panas yang dikeluarkan dari fluida refrigeran pada temperatur tinggi adalah

𝑄𝐻1 = ሶ𝑚𝑅1 ℎ4 − ℎ3 ; 𝑄𝐻2 = ሶ𝑚𝑅2 ℎ8 − ℎ7

v. 𝑊1 = − 𝑄𝐶1 + 𝑄𝐻1 ; 𝑊2 = − 𝑄𝐶2 + 𝑄𝐻2

vi. Koefisien performa siklus refrijerasi adalah

𝐶𝑂𝑃1 =𝑄𝐶1

𝑊1=

ℎ2−ℎ1

ℎ3−ℎ2=

𝑄𝐶1

− 𝑄𝐶1+𝑄𝐻1=

1

− 1+𝑄𝐻1/𝑄𝑐1

𝐶𝑂𝑃2 =𝑄𝐶2

𝑊2=

ℎ6−ℎ5

ℎ7−ℎ6=

𝑄𝐶2

− 𝑄𝐶2+𝑄𝐻2=

1

− 1+𝑄𝐻2/𝑄𝑐2

vi. Laju massa fluida refrigeran yang diperlukan adalah

ሶ𝑚𝑅1 =𝑄𝐶1

ℎ2−ℎ1ሶ𝑚𝑅2 =

𝑄𝐶2

ℎ6−ℎ5

vii. 𝑄𝐶2 = ሶ𝑚𝑅2 ℎ6 − ℎ5 = −𝑄𝐻1

ሶ𝑚𝑅2 ℎ6 − ℎ5 = − ሶ𝑚𝑅1 ℎ4 − ℎ3

ሶ𝑚𝑅2 ℎ6 − ℎ5 = ሶ𝑚𝑅1 ℎ3 − ℎ4

Kasus 5.3Two-stage cascade refrigeration system.

Cycle 2: Tetrafluoroethane. Between 0oF and 90 oF.Compressors are 75% efficient.

Cycle 1: R32 or ammonia Between –55 oF and 0 oF.

We want to find the heat and shaft work terms, for which we need values of enthalpy for the points 1,2,3, and 4

Tugas Pekerjaan 5Tugas ini dikerjakan dalam waktu 1 minggu. Tugas ini diserahkan setelah 1 minggu tugas ini diberikan.

Tugas Pekerjaan 5.1

Siklus refrigeran kompresi uap yang ideal beroperasipada kondisi tunak dengan Refrigeran 134a sebagaifluida kerja. Uap jenuh memasuki kompresor pada -10 C, dan cairan jenuh meninggalkan kondensorpada 28 C. Laju aliran massa refrigeran adalah 5 kg/menit.

Tentukan

(a) Daya kompresor, dalam kW

(b) Kapasitas pendinginan, dalam ton.

(c) Koefisien performa siklus refirigerasi.

Tugas Pekerjaan 5.2

Siklus refrigerasi dengan Refrigeran 134a sebagai fluida kerja digunakan juga untuk memompa panas ke sebuah ruangan temperatur dengan temperatur 20 oC. Laju panas yang dibuang ke ruang panas oleh siklus refrigirasi ini adalah 15 kW sehingga temperatur ruangan dapat dipertahan kan pada 20 oC. Proses evaporasi berlangsung pada tekanan 2.4 Bar. Evaporasi ini dilangsungkan oleh pemanasan dari udara sekitar yang bertemperatur 5 oC. Proses kondensasi pada kondensor berlangsung pada tekanan 8 Bar. Uap jenuh pada 2,4 bar memasuki kompressor dan mengalami proses proses isentropi sehingga menghasilkan tekanan keluar kompressor sebesar 8 bar .

Tentukan

a) Temperatur, entalpi dan entropi uap jenuh masuk kompressor

b) Temperatur dan entalpi uap fluida refrigeran keluar kompressor

c) Temperatur kondensasi pada kondensor

d) Entalpi cairan jenuh keluar kondensor

e) Laju massa refrigeran dalam siklus refirgerasi

f) Daya kompresor, dalam kW

g) Koefisien performa siklus refrigerasi.

Tugas Pekerjaan 5.3

Sebuah sistem refrigerasi membutuhkan daya kompresor sebesar 1,5 kW untuk laju pendinginan 4kW. Laju pendinginan adalah laju panas yang berhasil diambil dari ruang temperatur rendah

a) Berapa koefesien performa siklus refrigerasi?

b) Berapa laju panas yang dikeluarkan dari kondensor?

Tugas Pekerjaan 5.4

Sistem refrigerasi kompresi uap beroperasi pada siklus Gambar 9.1. Refrigerannya adalahtetrafluoroethane (R134a). Untuk salah satu set kondisi operasi berikut,

evaporation pada T = −18°C; kondensasi pada T = 26°C; efisiensi kompressor η = 0.76; dan laju pendinginan ruang oleh siklus refrigerasi sebesar 300 kW.

Tentukan laju sirkulasi refrigeran, laju perpindahan panas di kondensor, kebutuhan daya, koefisienperforma siklus, dan koefisien kinerja siklus refrigerasi Carnot yang beroperasi antara tingkat suhuyang sama.

Tugas Pekerjaan 5.5

Siklus refrigerasi kompresi uap dengan refrigerant-134a sebagai fluida kerja. Juga, parameter yang samaharus ditentukan jika siklus dioperasikan pada siklus refrigerasi kompresi uap ideal antara batas tekanan yang sama. Tekanan penguapan adalah 2 Bar. Tekanan kondensor adalah 14 Bar. Efisiensi kompresi adalah 88%. Laju aliran massa refrigeran adalah 1,5 kg/menit. Tentukan laju pendinginan, input daya, dan Coefficient of Performance (COP).