Makalah 3 Termodinamika Teknik Kimia

8/18/2019 Makalah 3 Termodinamika Teknik Kimia

1/22

i

MAKALAH TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA

PEMICU 3 PROSES SIKLIK

Oleh: Kelompok 14

Kevin Antonio (1406568091)

Merisa Aulia ( 1406531731)

Faracitra Akuwalifah (1406607861)

Barneus WS (1406607760

Dimas Manggala (1306409375)

Aegerin Hafiz S (1406552830)

Program Studi Teknik Kimia

Departemen Teknik Kimia

Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

Depok

Maret 2016


2/22

ii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena rahmatNya-lah

penulis dapat menyelesaikan Makalah Termodinamika Teknik Kimia ini tepat waktu. Tim penulis

juga mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr. Ir. Praswasti Pembangun Dyah Kencana Wulan,

M.T., sebagai pengajar mata kuliah Termodinamika Teknik Kimia yang telah membimbing

penulis dalam pembuatan makalah ini.

Tim penulis mengucapkan terima kasih juga kepada kedua orang tua, teman-teman, dan

pihak-pihak terkait yang telah membantu dan memberi dukungan dalam penyusunan makalah ini.

Makalah ini bertujuan untuk memenuhi tugas makalah pemicu 3: Sikl us Sikl ik mata

kuliah Termodinamika Teknik Kimia dan untuk menambah ilmu bagi penulis dan para pembaca

dalam memahami apakah itu Hukum Pertama Termodinamika, aplikasinya, serta analisis lainnya

terkait topik tersebut.

Diakhir kata, tiada gading yang tak retak. Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh

dari kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang

membangun untuk menyempurnakan makalah penulis yang berikutnya. Penulis berharap supaya

makalah ini dapat bermanfaat bagi pembaca yang membacanya.

Depok, Maret 2016

Tim Penulis


3/22


4/22

1

ISI

JAWABAN PERTANYAAN

Masalah 1

Anda baru bekerja di perusahaan konsultan. Pekerjaan pertama yang dilakukan adalah

menyelidiki kelayakan penggunaan tenaga panas Bumi. Di suatu daerah pegunungan tersedia

sumber uap panas bertekanan rendah yang sangat berlimpah sehingga berpotensi menghasilkan

energi listrik beberapa ratus MW bila dapat dibuat alat yang tepat. Diusulkan untuk

menggunakan siklus power plant dengan menggunakan working fluid berupa tetrafluroethane

(HFC-134a) dengan rute seperti pada gambar di bawah ini. Di sekitar lokasi juga tersedia air

dingin dalam jumlah berlimpah (ingat ini di pegunungan).

HFC-134a cair jenuh keluar kondesor pada suhu 21oC dipompa hingga mencapai tekanan

400 psia lalu dialirkan ke boiler dan keluar sebagai superheated vapor. Uap HFC-134a kemudiandiekspansikan pada turbin. Sebagai pilot-plant akan dibuat sebuah power plant dengan kapasitas

2 MW (output bersih, dikurangi daya untuk pompa). Efisiensi turbin adalah sebesar 85%

dibanding proses isentropis dan efisiensi pompa adalah 90%.

a. Berapakah tekanan keluar turbin yang saudara rekomendasikan?

b. Tentukanlah jumlah working fluid yang disirkulasikan per jam.

c. Tentukan kebutuhan daya pompa

d. Cukup layakkah ide ini untuk dilaksanakan? Tuliskan alasan dan saran pengembangan.

Jawaban:

a) Grafik temperatur vs entropi (grafik T-s) dari siklus rankine dari sistem yang kita miliki


5/22

2

Dari grafik T-s di atas, dapat kita lihat bahwa dalam siklus yang kita miliki terdapat dua

buah garis isobarik dan dua buah garis isentropis, yaitu:

1. Garis 1 – 2 merupakan proses isentropis pada pompa.

2. Garis 2 – 3 merupakan proses isobarik pada boiler.

3. Garis 3 – 4 merupakan proses isentropis pada turbin.

4. Garis 4 – 1 merupakan proses isobarik pada kondensor.

Dari keterangan diatas, proses 4 – 1 merupakan suatu proses isobarik dimana

tekanan pada titik 4 dan titik 1 adalah sama, maka dapat kita simpulkan bahwa tekanan dari

working fluid pada titik 4 (sebelum masuk kondensor) adalah sama dengan tekanan

working fluid pada titik 1 (setelah keluar kondensor).

Yang membedakan antara keduanya adalah kualitasnya. Diketahui bahwa pada titik

satu, working fluid memiliki kondisi berupa: saturated liquid dengan temperatur 21 oC.

Untuk mengetahui tekanan pada kondisi tersebut, kita dapat melihat tabel saturated dari

HFC-134a yang terdapat pada lampiran tabel A-10 dari buku Fundamentals of Engineering

Thermodynamics Edisi 7 Moran-Saphiro. Dari tabel A-10 kita dapatkan:

Temperature(oC) Tekanan(bar)

20 5,716


6/22


7/22

4

Tinjau aliran pada turbin

Diketahui bahwa efisiensi turbin adalah sebesar 85%. Pada turbin, yaitu proses 3 – 4

merupakan proses isentropis sehingga dapat kita katakan bahwa S3 adalah sama dengan

S4. Pada titik 3, HFC-134a berada pada fase superheated steam karena pada saat 400 psiatemperature jenuh liquid sebesar 179,95oF. Pada tekanan 400 psia dan temperatur 220 oF.

Beracuan pada tabel superheated steam HFC-134a yang diambil dari sumber internet

(http://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_r134a.php5) didapatkan bahwa:

Dari tabel di atas dapat kita ketahui bahwa entropi pada kondisi titik 3 adalah

sebesar 1,778 kJ/Kg.K karena s3 = s4 maka entropi pada titik 4 juga sebesar 1,778 kJ/kg.K.

Pada titik keempat, tekanan di titik 4 sama dengan nilai tekanan di titik 1 sehingga pada

titik 4 mempunyai tekanan sebesar 85,859 psia dan entropi sebesar 1,778 kJ/kg.K.

Kemudian, untuk menentukan fraksi dan fase pada keadaan tersebut, menggunakan data

dari internet untuk melihat entropi jenuh uap pada tekanan 85,859 psia. Mencari nilai fraksi

uap dari refrigerant pada saat 85,859 psia:

S4= 1,778 kJ/kg K Sv = 1,71 kJ/kg.K

SL = 1,10 kJ/kg.K

Dimana untuk mencari fraksi uap yaitu:

= −− = ,−,

,−, = 1.1


8/22

5

Dari fraksi uap yang didapat diketahui bahwa fasanya masih dalam fasa uap

Didapatkan bahwa entropi jenuh uap pada tekanan 85,859 psia adalah sebesar

1.1012 kJ/Kg K. Oleh karena itu:

s4s>svap−saturated

Karena entropi isentropis yang kita miliki untuk titik 4 lebih besar dari entropi uap jenuh,

maka dapat kita simpulkan bahwa fase HFC-134a pada titik 4 masih pada fase superheated.

Selanjutnya diketahui bahwa entalpi pada titik 3 ( 400 psia dan 220oF) yaitu sebesar

463,844 kJ/kg dari entalpi dititik ketiga kita dapat mencari entalpi isentropic pada titik 4

(h4s) dimana S4 = S3 = 1,778 kJ/kg.K . Sehingga kita dapat mencari h4s pada tekanan

85,859 psia dengan mencari suhunya terlebih dahulu

Suhu(oC) Entropi (kJ/kg.K)

100 1,776

110 1,791

Dengan melakukan interpolasi untuk mendapatkan entropi sebesar 1,778 kJ/kg

x 100

110 100

= 1,778 1,776

1,791 1,776Didapatkan bahwa suhunya yaitu 100,64 oFSehingga entalpi spesifik (H4s) pada 85,859 psia dan 100,64 oF yaitu H4s = 427,59 kJ/kg

Tinjau Bagian Pompa

Selanjutnya diketahui entalpi spesifik pada titik 1 yaitu 228,9 kJ/kg dari entalpi

dititik ketiga kita dapat mencari entalpi isentropic pada titik 2 (h2s). Dengan menggunakan

persamaan

v1 (P2− P1) = h2s− h1

1 m31221,58 kg x 2757902,69 591976,91 Pa = h2s 228,9 kJ/kg

= 1,773 kJ/kg + 228,9 kJ/kg = 230,67 kJ/kg


9/22

6

Untuk menghitung laju alir massa dapat digunakan rumus:

Dimana

Sehingga

Sehingga working fluid yang disirkulasikan yaitu 219628,92 kg/hr

c) Tentukanlah kebutuhan daya untuk pemompaan.


10/22

7

d) Cukup layakkah ide ini untuk dilaksanakan dan juga rekomendasi untuk perbaikan sistem ini.

Cukup layak, karena jika kualitas campuran yang melalui turbin sangat rendah akan

berpengaruh pada butir cairan pada sudut turbin yang akan mengakibatkan pengikisan dan

penurunan effisiensi turbin. Dengan adanya pemanasan lanjut, memungkinkan kondisi pada

keluaran turbin dapat mencapai uap panas lanjut sehingga menghilangkan tendesi masalah kualitas

uap yang rendah pada bagian keluar turbin.

Selain itu, untuk semakin menyempurnakan sistem atau dengan kata lain meningkatkan lagi

efisiensi dari tiap komponen dalam sistem, kita dapat melakukan beberapa hal berikut:

Pemanasan Lanjut

Dalam siklus ini, pemanasan dilakukan sampai mencapai keadaan superheated

dengan sistem siklus rankine yang sederhana. Untuk lebih mengerti lebih lanjut maka dapat

dilihat pada gambar sistem siklus rankine dibawah ini.


11/22

8

Pemanasan ulang

Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler

pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan

ulang sebelum memasuki turbin kedua yang bertekanan lebih rendah.

Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi

yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin.

Sistem regenerasi

Konsep siklus ini menyerupai konsep siklus dengan pemanasan ulang. Yang membedakan

adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan

sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang

sama dan mengakibatkan pencampuran temperature. Hal ini akan mengefisiensikan

pemanasan primer.


12/22

9

Masalah 2

Uap bertekanan tinggi (aliran 1) dengan laju 1000 kg/h dengan kondisi 3.5MPa dan 350oC

terkespansi di turbin untuk mendapatkan tenaga/energi. Dua aliran keluar dari turbin. Aliran keluar

(aliran 2) memiliki tekanan 1.5 MPa dan suhu 225oC dengan laju 100 kg/h. Aliran keluar (Aliran

3) memiliki kondisi 0.79 MPa dengan kondisi campuran uap dan air jenuh. Aliran 3 (friksi

diabaikan) dipisahkan lagi menuju tuas /keran penghambat (aliran 4) yang memiliki tekanan 0.10


13/22

10

a) Tentukan temperature dan kualitas aliran 3

Asumsi masa aliran 4 sangat kecil

Menggunakan table kukus pada0.79 MPa didapat suhu berada pada ~ 170oC, juga

didapat hl = 718 kJ/kg dan hv = 2767 kJ/kg

Jika melewati katup penghambat Δh = 0, maka h3 = h4

Didapat menggunakan tabel kukus pada P4 = 100 kPa, T4 = 120 ºC, h4 =2 716 kJ/kg

Pada aliran 3

ℎ = ℎ = ℎ + (ℎ ℎ )

2716 = 718 + 2767 718 = . →

b) Tentukan laju perpindahan kalor ddi turbin

Neraca energy yang terjadi di turbin

∆ℎ = + dimana∆ℎ = ℎ + ℎ ℎ

Masa pada aliran 3: 1000 / 100 / = 900 / Mengunakan table kukus superheated steam, didapatkan P1 = 3500 kPa and T1 =

350 oC, h1 = 3106.5 kJ/kg dan P2 = 1500 kPa and T2 = 225 ºC, h2 = 2861.5 kJ/kg

Sehingga untuk persamaan neraca energinya

ℎ + ℎ ℎ = +

1

23

4


14/22


15/22

12

Proses yang terjadi pada siklus kompresi:

- Pada proses 1-2, terjadi proses kompresi isentropik dimana s = konstan, saturated vapor,

superheated vapor (kompresor)

- Pada proses 2-3, terjadi proses pelepasan kalor dimana p = konstan, superheated vapor, saturated

liquid (kondensor)

- Pada proses 3-4 terjadi proses ekspansi isentropik dimana h = konstan, saturated liquid, mixture

liquid-vapor (expansion valve)

- Pada proses 4-1 Proses penyerapan kalor dimana p = konstan, mixture liquid vapor, saturated

vapor (evaporator)

Sehingga dodapatkan :

S1 = S2

P2 = P3

h3 = h4

P4 = P1

Diketahui:

TL = 10℃ TH = 50℃

QL = 1200 kW

= 76%

Jawaban:

a) Dengan mengabaikan pressure drop di evaporator dan di kondensor, tentukanlah

tekanan-tekanan pada sistem.


16/22

13

T1 = 10℃ = 50℉ Pada titik 1 seperti dilihat di gambar air berwujud saturated vapor. Maka dilihat dari

Saturated Steam Table dengan suhu 50℉ didapat nilai tekanan: P1 = 0,17796 psia

T3 = 50℃ = 122℉ Pada titik 3 seperti dilihat di gambar air berwujud saturated liquid. Maka dilihat dari

Saturated Steam Table dengan suhu 122℉ didapat nilai tekanan: P3 = 1,7891 psia

P2 = P3

Maka, nilai tekanan pada titik 2, P2 = 1,7891 psia

P4 = P1


b) Perkirakanlah power kompresor (Win)

Pada kompresor analisis sistemnya adalah

= ̇ ℎ ℎ

Mencari nilai h1:

T1 = 10℃ = 50℉ Pada titik 1 seperti dilihat di gambar air berwujud saturated vapor. Maka dilihat dari

Saturated Steam Table dengan suhu 50℉ didapat nilai entalpi: h1 = 1083,4 Btu/lbm

Mencari nilai h2:

Proses 1-2 merupakan proses isentropik dengan S1 = S2

T1 = 10

℃ = 50℉, nilai entropi didapat dari Saturated Steam Table yaitu S1 = S2 = 2,1262

Nilai P2 = P3



17/22

14

Dengan menggunakan Grafik A-8E (Diagram Entalpi-entropi untuk air dalam satuan

Inggris) pada buku Moran, didapat nilai entalpi h2 = 1240,3 Btu/lb

Mencari nilai

̇:

= 1200 pada sistem evaporator analisis sistemnya menjadi;

= ̇ ℎ ℎ h1 = 1083.4 Btu/lbm

Dengan T3 = 122℉, nilai entalpi pada titik 3 dengan wujud saturated liquid:h3 = h4 = 89,96 Btu/lbm

Maka:

= ̇ ℎ ℎ 1200 = ̇ 1083,4 ⁄ 89,96 ⁄

4094570,4 ℎ⁄ = ̇ 1083,4 ⁄ 89,96 ⁄

̇ = 4094570,4 ℎ⁄

993,44 ⁄

̇ = 4121,60815 ℎ⁄

Nilai-nilai yang sudah didapatkan dimasukan ke persamaan

= ̇ ℎ ℎ = 4121,60815 ℎ⁄ 1240,3 ⁄ 1083,4 ⁄

= 4121,60815 ℎ⁄ × 156,9 ⁄

= 646680,32 ℎ⁄ = 189,523

Maka Power Kompresor yang dibutuhkan bila efisiensi 76% adalah:


18/22

15

= = 189,523

0,76 = ,

c) Mencari nilai : ̇

= 1200

Pada system evaporator analisis sistemnya menjadi:

= ̇ ℎ ℎ ̇ H1 = 1083,4 Btu/lbm

Dengan T3 = 122oF, nilai entalpi pada titik 3 dengan wujud saturated liquid:

H3 = h4 = 89,96 Btu/lbm

Maka:

= ̇ ℎ ℎ ̇ 1200 = ̇ 1083,4 89,96

4094570,4 ℎ = ̇ 1083,4 89,96

̇ = 4094570,4 /ℎ

993,44

̇ = 4121,60815 ℎ d) Menghitung COP system refrigerasi

=

= 1200 249,372

= 4,81 e) Untuk menjawab soal bagian ini kita harus terlebih dahulu mengerti cara kerja dari system

refrigerasi

Prinsip kerja mesin pendingin adalah jika motor penggerak berputar maka akan

memutar kompresor. Dengan berputar kompresor, refrigeran akan naik suhu maupun


19/22

16

tekanannya. Hal ini disebabkan molekul-molekul dari refrigeran bergerak lebih cepat akibat

proses kompresi. Gas dari refrigeran akan merambat pada pipa – pipa kondensor dan media

pendinginan.

Bahan pendingin atau refrigeran adalah suatu zat yang mudah diubah wujudnya dari

gas menjadi cair atau sebaliknya. Untuk dapat terjadinya suatu proses pendinginan diperlukan

suatu bahan pendingin atau refrigeran yang digunakan untuk mengambil panas dari evaporator

dan membuangnya dalam kondensor.

Kompresor adalah unit mesin pendingin yang berfungsi untuk mengsirkulasi

refrigeran yang mengalir dalam unit mesin pendingin. Jika dilihat dari cara kerja

mensirkulasikan refrigeran,Kondensor mempunyai fungsi melepaskan panas yang diserap

refrigeran di evaporator dan panas yang terjadi selama proses kompresi. Dilihat dari sisi

media yang digunakan kondensor

Evaporator adalah penukar kalor yang memegang peranan yang paling penting didalam

siklus pendinginan, yaitu mendinginkan media sekitarnya. Evaporator berfungsi untuk

mendinginkan udara ruangan atau cairan. Selain itu fungsi eavaporator pada sistem

pendinginan adalah sebagai pipa penguapan. Dilihat dari betuknya, evaporator memiliki

konstruksi yang sama dengan bagian kondensor yang hanya menggunakan diameter pipa lebih

besar dibandingkan pipa untuk kondensor. Didalam tabung dipasang plat – plat penyekat. Plat –

plat tersebut berfungsi sebagai penunjang pipa refrigeran dan mengalirkan cairan yang hendak

didinginkan, sehingga dapat mengalir tegak lurus pada pipa dengan kecepatan tinggi.

Dengan demikian laju – laju perpindahan kalor semakin baik karena kontak antara cairan yang

hendak didinginkan dalam pipa refrigeran dapat dibuat lebih baik.

Pipa kapiler adalah pengatur bahan pendingin atau refrigeran pada sistem pendinginan

yang ditempatkan pada antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Refrigeran cairan yang

mengalir melalui pipa kapiler terjadi pressure drop yang berarti tekanan dan suhunya diturunkan

sesuai dengan kebutuhan evaporator.

Jadi dalam satu system refrigerasi, ada 2 output termal yang berbeda, pada output pertama

suhu akan didinginkan melalui refrigerant yang melewati evaporasi sehingga volumenya

bertambah dan suhu nya menurun drastis, sedangkan output kedua suhu akan dipanaskan melalui

refrigerant yang melewati kondensor sehingga volume dan tekanan akan dimampatkan sehingga

suhu refrigerant akan naik menjadi lebih panas karena kalor akan dibuang dari refrigerant. Jadi


20/22

17

saat kita membalikan arah refrigerant dalam suatu system refrigerasi (asumsi AC di suatu kamar)

maka output dari system itu akan bertukar sehingga dapat digunakan sebagai penghangat ruangan.

Masalah 4

Sebuah unit pendingin rumah tangga menggunakan tetrafluoroethane sebagai refrigeran mencakup

dua kompartemen: bagian freezer (dingin) dan bagian kulkas (kurang dingin). Untuk menghasilkanwilayah dua suhu, unit menggabungkan dua katup throttle. Pertimbangkan unit pendingin dimana

suhu freezer adalah -20 º F, suhu kulkas adalah 40 º F, dan suhu kondensasi untuk bertukar panas

ke dalam ruangan adalah 100 ºF. kompresor beroperasi dengan efisiensi 0,5.

a) Kita dapat mempertimbangkan siklus standar regfrigerator, dimana perubahan tidak

berhubungan sehingga dua temperature untuk pendinginan tidak bergantung satu sama lain

(20oF dan 40oF) maka dibutuhkan dua buah evaporator. Masing masing refrigerator memiliki

refrigerant yang memiliki fasa liquid dan vapor. Besar tekanan yang terjadi pada siklus dapat

dilihat melalui gambar mid=sedang, lo= rendah, hi= tinggi. Penggunanan throttle digunakan

untuk menambahkan tekanan.


21/22

18

b) Suhu ada setiap tempat / setiap tekanan dapat dicari dengan melihat diagram refrigerant

dimana liquid vapor ada pada suhu 20oF , 40oF, 100oF. Total pendinginan yang dapat

diberikan adalah perbedaan entalpi uap jenuh di PLO (Hv di 13 psia = 100 BTU / LBM) dan

untuk cairan jenuh di PHI (Hl pada 140 psia = 45 BTU / LBM).

Saat 1/3 pendinginan dilakukan di dalam lemari es, H keluar dari evaporator pertama di P =

50 psia akan 45 + 1/3 (100-55) = 63 BTU / lbm ( ΔH Refrigerator = 18 BTU /lbm). 2/3 lain

dari pendingin untuk freezer adalah pada P = 13 psia (ΔH Freezer = 100-63 = ~ 36 BTU /

lbm). Untuk kompresor, jika cocok, mulai dari uap sat'd pada P = 13 psia (H = 100 BTU /

lbm dan S = 0,23 BTU / lbm-ºR) dan terkompres secara isentropik ke PHi = 140 psia di mana

H = 123 BTU / lbm dari grafik. Dengan demikian, (Δ H) S = 23 BTU / lbm. Sebagai η

kompresor = 0,5 dari masalah, sebenarnya Δ H akan sama (23 BTU / LBM) / (0,5) = 46 BTU

/ lbm untuk menempatkan keluar dari kompresor di Phi = 130 psia dan H = 100 + 46 = 146

BTU / lbm. Posisi ini menempatkan suhu tertinggi dalam siklus.

c) Suhu tertinggi adalah bahwa keluar kompresor = 220 ºF (lihat diagram). Suhu terendah di

evaporator (# 2) di freezer = -20 º F.


22/22

19

DAFTAR PUSTAKA

ASME Steam Tables Compact Edition, Properties of Saturated and Superheated Steam in

U.S. Customary and SI Units from the International Standard for Indsutrial Use.

Borgnakke, C. dan Sonntag, R.E. (2009) Fundamentals of Thermodynamics, 7th Edition.

NJ : John Wiley & Sons, Inc.

Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2002. Thermodynamics an Engineering Approach. Fourth Ed.

Mc. Graw-Hill

Maron, H. Samuel and Jerome B. Lando. 1974. Fundamentals of Physical Chemistry.

New York : Macmillan Publishing.

Moran, J. Michael, Shapiro N. Howard. 2006. Fundamentals of Engineering

Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.

Smith, J.M. ; H.C. Van Ness and MM. Abbot. 2005. Introduction to ChemicalEngineering Thermodynamics 7th edition. New York : McGraw-Hill

Wark, Knneth. 1983. Thermodynamics. United States : McGraw- Hill, Inc.

Makalah 3 Termodinamika Teknik Kimia

Documents

Transcript of Makalah 3 Termodinamika Teknik Kimia