Kuliah 4 Refrigerasi dan Pencairan Gas

Refrigerasi dan Pencairan Gas Aplikasi AC ruangan, lemari pendingin Pembuatan es Dehidrasi gas Industri minyak, termasuk pemurnian minyak pelumas Reaksi suhu rendah Pemisahan hidrokarbon volatil

Penyerapan kalor secara kontinyu pada temperatur rendah, biasanya diikuti oleh penguapan cairan pada proses aliran steady-state.

Refrigerator Carnot Refrigerator ideal, cara kerja seperti mesin kalor, beroperasi pada siklus Carnot, terdiri dari dua langkah isotermal di mana kalor |QC| diserap pada temperatur lebih rendah TC dan kalor |QH| dilepaskan pada temperatur lebih tinggi TH, dan dua langkah adiabatis. Coefficient of performance:| QC | TC panas diserap pada temperatur rendah | QC | = = = kerja total W | QH | | QC | TH TC

Siklus Kompresi Uap 12: cairan (menyerap panas) menguap pada tekanan konstan 23: kompresi isentropik menuju tekanan yang lebih tinggi 34: pendinginan dan pengembunan dengan pelepasan kalor pada temperatur tinggu 41: proses ekspansi dan throttling

Basis unit massa fluidaPanas diserap di evaporator: Panas dilepaskan dikondenser : Kerja kompresi:

| QC |= H 2 H 1 | QH |= H 3 H 4 W = H3 H2& | QC | & m= H 2 H1

| QC | H 2 H 1 = = W H3 H2

Kecepatan sirkulasi refrigeran:

Suatu ruang direfrigerasi pada suhu 10F dan air pendingin tersedia pada 70F. Kapasitas refrigerasi 120000 Btu/hr. Evaporator dan kondenser dapat memenuhi kondisi di mana beda suhu minimum untuk perpindahan panas adalah 10F. Refrigeran yang digunakan adalah tetrafluoreothane (HFC 134a), di mana data tersedia pada Table 9.1 dan Fig G.2 (App. G). (1) berapa nilai untuk refrigerator & Carnot refrigerator? (2) Hitung andm untuk siklus kompresi uap pada Fig 9.1 jika efisiensi kompresor adalah 0.80. TC 0 + 459.67 = = = 5.75 (1) Refrigerator Carnot: TH TC (80 + 459.67) (0 + 459.67) (2) Pada 0F, HFC 134a menguap pd 21.162 (psia): H 2 = 103.015Btu Btu S 2 = 0.22525 lbm lbm R

Pada 80F, HFC 134a mengembun pd 101.37 (psia): H 4 = 37.978

Btu = H1 lbm

Langkah kompresi adalah adiabatis reversibel (isentropis) dari 2 ke 3: Btu pada 101.37 (psia) Btu S = S = 0.22525 H = 1173 2

lbm R

3

lbm

(H )S

= H 3 H 2 = 13.98

Btu lbm

H 3 H 2 = (H )S / = 17.48

Btu lbm

H H4 = 2 = 3.72 H3 H2

& | QC | lb 120000 & m= = = 1845 m H 2 H 4 103.015 37.978 hr

Pemilihan Refrigeran Tergantung pada Efisiensi mesin Carnot tergantung pada fluida kerja Coefficient of performance refrigerator Carnot tergantung pada refrigeran. Siklus kompresi uap mempengaruhi coefficient of performance dan tergantung pada beberapa sifat refrigeran.

Faktor lain: Toksisitas, flamabilitas, harga, korosi, tekanan uap berkaitan dengan temperature.

Dua persyaratan: Tekanan uap refrigeran pada temperatur evaporator harus lebih lebih tinggi dari tekanan atmosfer untuk mencegah kebocoran udara. Tekanan uap pada temperatur kondenser tidak boleh terlalu tinggi mengingat biaya yang tinggi untuk alat bertekanan tinggi.

Refrigeran Ammonia, metil klorida, karbon dioksida, propan dan hidrokarbon lain Hidrokarbon terhalogenasi Banyak digunakan pada1930an (misal: CCl3F, CCl2F2) dan tidak digunakan lagi saat ini Molekul yang stabil menyebabkan kerusakan lapisan ozon yang parah Pengganti: hidroklorofluorokarbon yang tidak mengandung klorin (CHCl2CF3, CF3CH2F).

Cascade 2 keadaan: (TH ditentukan oleh temperatur lingkungan, batas yang lebih rendah untuk temperatur refrigerasi) Ada 2 siklus yang beroperasi sehingga panas yang diserap oleh refrigeran pada temperatur tinggi di siklus 2 dihasilkan dari panas kondensasi refrigeran pada temperatur rendah di siklus 1.

Refrigerasi Absorpsi Refrigerasi absorpsi; penggunaan panas secara langsung sebagai sumber energi refrigerasi (bukan dari motor elektrik) Perbedaan antara refrigerator kompresi uap dan refrigerator absorbsi terletak pada perbedaan alat yang digunakan untuk kompresi. Sistem refrigerasi absorpsi yang paling umum digunkan beroperasi dengan air sebagai refrigeran dan larutan litium bromide sebagai absorben. Steam tekanan rendah merupakan sumber panas yang umum digunakan untuk regenerator.

Panas yg dibutuhkan utk menghasilkan kerja: = Kerja dibutuhkan refrigerator Carnot:

T |W | = 1 S | QH | TH TS TC | QC | TC

| QH |=| W |

TH TH TS

W=

| QH |=| QC |

TH TS TC TH TS TC

Pompa Kalor Pemanasan rumah pada saat musim dingin: Refrigeran menguap pada koil yang ditempatkan di bawah tanah atau di udara luar, kompresi uap diikuti kondensasi, panas ditransfer dari udara ke air, yang digunakan untuk memanaskan bangunan.

Pendingin rumah di musim panas: Aliran refrigeran berbalik arah, panas diserap dari bangunan dan dibuang melalui koil di bawah tanah atau ke udara luar.

Sebuah rumah memiliki kebutuhan pemanas di musim dingin sebesar 30 kJ/s dan pendingin di musim panas sebesar 60 kJ/s. Perkirakan pompa kalor yang diperlukan untuk menjaga temperatur rumah pada 20C di musim dingin dan 25C di musim panas. Sirkulasi refrigeran pada koil diharapkan pada 30C di musim dingin dan 5C di musim panas. Koil di bawah tanah menyediakan sumber panas di musim dingin dan pembuang panas di musim panas. Jika temperatur bawah tanah 15C sepanjang tahun, karakteristik transfer panas koil memerlukan temperatur refrigeran pada 10C di musim dingin dan 25C di musim panas. Berapa kebutuhan daya minimum untuk pemanasan di musim dingin dan pendinginan di musim panas?

Kebutuhan daya minimum mesin kalor Carnot: Pemanasan musin dingin, kalor diserap koil:| QC |=| QH | TC kJ 10 + 273.15 = 30 = 28.02 TH 30 + 273.15 s

Kebutuhan daya:

W =| QH | | QC |= 30 28.02 = 1.98

kJ s

Pendinginan musim panas, koil pada temperatur rendah TC : Kebutuhan daya:W =| QC | (25 + 273.15) (5 + 273.15) TH TC kJ = 60 = 4.13 5 + 273.15 TC s

Proses Pencairan Gas Umum digunakan untuk: Propan cair sebagai bahan bakar rumah tangga Oksigen cair pada roket Gas alam cair untuk transportasi laut Nitrogen cair untuk refrigerasi temperatur rendah Pencairan campuran gas untuk pemisahan

Pendinginan pada temperatur daerah dua fase: Dengan penukar panas pada tekanan konstan Dengan proses ekspansi sehingga didapatkan kerja Dengan proses throttling

Dengan penukar panas pada tekanan konstan jalur 1 Dengan proses ekspansi isentropis jalur 2 Dengan proses throttling keadaan mula-mula harus pada tekanan yang cukup tinggi dan temperatur yang cukup rendah sebelum throttling jalur 3: Perubahan keadaan dari A ke A: kompresi gas ke B, diikuti pendinginan pada tekanan konstan. Kemudian ekspansi isentropis 3 menyebabkan pembentukan cairan

Proses Pencairan Linde Hanya tergantung pada ekspansi throttle: Kompresi pendinginan pada temperatur ruangan (dapat lebih rendah dengan refrigerasi) throttling dan pencairan gas.

Proses Pencairan Claude Menggantikan throttlr dengan ekspander: Gas ekspander uap jenuh, atau sedikit lewat jenuh didinginkan dan melalui throttle untuk pencairan gas sebagian cairan dicapur dengan keluaran ekspander dan kembali untuk recycle.

Gas alam, diasumsikan sebagai metan murni, dicairakan dengan proses Claude. Kompresi untuk mencapai 60 dan pendiginan untuk mencapai 300 K. Keluaran ekspander dan throttle exhaust menuju tekanan1 bar. Recycle metan pada tekanan ini meninggalkan sistem penukar pada 295 K. Asumsi tidak ada panas yang bocor ke sistem dari lingkungan, efisiensi ekspander 75%, dan keluaran ekspander berupa uap jenuh. Jika diambil 25% metan masuk sistem penukar untuk ke ekspander, berapa fraksi metan yang tercairkan, dan berapa temperatur steam tekanan tinggi masuk ke throttle?H 4 = 1140.0 kJ kgkJ kg

Metan lewat jenuh:

( 300 K dan 60 bar )(295 K dan 1 bar )

H 15 = 1188.9

Cairan jenuh: Uap jenuh:

H 9 = 285.4 H 12 = 796.9

kJ kg

(T sat = 111.5 K dan 1 bar )

kJ kJ , S12 = 9.521 (T sat = 111.5 K dan 1 bar ) kg kg K

& & & & Neraca energi pada garis vertikal putus2 di sebelah kanan: m9 H 9 + m15 H15 m4 H 4 = Wout & & & & Ekspander beroperasi secara adiabatis: Wout = m12 ( H12 H 5 ) z m9 / m4

Neraca massa:

& & & m15 = m4 m9z=

& & x m12 / m4x(H 12 H 5 ) + H 4 H 15 H 9 H 15

Efisiensi ekspander:

H = H 12 H 5 = (H )S = (H 12 H 5 )

Perkirakan T5 H5, S5 ekspansi isentropis H12 H12 sesuai?T5 = 253.6 K , H 5 = 1009.8 kJ (at 60 bar ) kg

z=

x(H 12 H 5 ) + H 4 H15 0.25(796.9 1009.8) + 1140.0 1188.9 = = 0.113 H 9 H 15 285.4 1188.9

11.3 % metan masuk ke excanger tercairkan

Neraca energi pada penukar I: Neraca massa:H14 =

& & m4 ( H 5 H 4 ) + m15 ( H 15 H 14 ) = 0

& & & m15 = m4 m9

& & z m9 / m4(at 60 bar )

H5 H4 1009.8 1140.0 kJ + H15 = + 1188.9 = 1042.1 1 z 1 0.113 kg T14 = 227.2 K

& & Neraca energi pada penukar II: m7 ( H 7 H 5 ) + m14 ( H14 H12 ) = 0

Neraca massa:H7 = H5

& & & m7 = m4 m12

& & & m14 = m4 m9( at 60 bar )

1 z (H14 H12 ) = 719.8 kJ T = 197.6 K 1 x kg 7

x T7

Jika mendekati temperatur jenuh pada separator menyebabkan luas area tak terhingga pada exchanger (kenaikan biaya)z= x(H 12 H 5 ) + H 4 H 15 H 9 H 15z = 0.0541

Sistem Linde, x = 0:

5.41 % metan masuk ke throttle menjadi cairH 7 = H 4 (1 z )(H 15 H 10 ) = 769.2 kJ kg T7 = 206.6 K (at 60 bar )