MAKALAHRefrigeration and Liquefaction

DISUSUN OLEH :Firmansyah Putra(03111003013)Febri Walanda(03111003025)Ellynda Permasita Nova(03111003037)Idealisa D Hutapea(03111003077)Amir Mahmud Afandi (03111003085)Akhmad Ade Sucitro(03111003087)

JURUSAN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SRIWIJAYA2013

KATA PENGANTAR

Kata PengantarPuji dan syukur penyusun ucapkan kepada Allah SWT yang telah mengkaruniakan rahmat dan petunjuk-Nya sehingga penyusun dapat menyelesaikan makalah yang berjudul Refrigeration and Liquefaction. Makalah ini dibuat untuk memenuhi tugas Thermodinamika II.Pada kesempatan ini , penyusun mengucapkan terima kasih kepada:1. Ibu . selaku dosen mata kuliah fisika dasar yang telah membimbing dan mengarahkan dalam pembuatan makalah ini.2. Rekan-rekan mahasiswa (rekan satu kelompok) yang telah bekerja sama dalam pembuatan makalah.3. Keluarga dan kerabat yang telah memberikan sumbangsih baik secara moril maupun materil.Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan makalah ini. Semoga dapat bermanfaat untuk memberikan informasi dan pembelajaran kepada masyarakat untuk pengembangan wawasan dan peningkatan ilmu pengetahuan bagi kita semua. Terima kasih.

Palembang, September 2013

PenyusunDAFTAR ISIKATA PENGANTARDAFTAR ISI

BAB I PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang1.2 Perumusan Masalah1.3 Tujuan1.4 Manfaat1.5 Metode Penulisan

BAB II PEMBAHASAN

2.1The Carnot Refrigerator2.2 The Vapor Compression Cycle2.3The Choice of Refrigerant2.4Absorption Refrigeration2.5The Heat Pump2.6 Liquefaction Processes

BAB III PENUTUP

3.1Kesimpulan3.2Saran3.3Penutup

BAB 1PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang1.2 Perumusan Masalah1.

1.3 Tujuan Tujuan dari dibuatnya makalah ini adalah untuk memenuhi tugas mata kuliah Thermodinamika II. Selain itu dibuatnya makalah ini agar mahasiswa memahami dan menguasai konsep serta dapat menjelaskan cara kerja dari refrigerator dan proses liquifaksi.

1.4 Manfaat1. Mengetahui cara kerja dari mesin pendingin Carnot.2. Memahami dan menguasai siklus kompresi uap pada proses refrigerasi. 3. Mengetahui cara kerja dari sistem refrigerasi absorbsi.4. Mengetahui proses dan cara kerja pompa kalor.5. Mengetahui dan memahami proses liquifaksi.6. Mengetahui pengaplikasian dari proses refrigerasi dan liquifaksi.

1.5 Metode Penulisan Penulis mempergunakan metode kepustakaan. Dalam metode ini penulis membaca buku-buku yang berkaitan denga penulisan makalah ini.

BAB IIPEMBAHASAN

2.1 The carnot refrigationSiklus carnot pada refrigator pada dasarnya merupakan kebalikan pada siklus carnot yang terjadi pada pomp di power plant. Pada refrigator, .zat pendingin yang telah menguap tidak dibuang, tetapi dimampatkan oleh sebuah pompa sehingga mencair kembali. Gambar 2.1, siklus karnot pada regfrigator

Pada gambar 1.1, dapat dilihat bahwa siklus memiliki 4 proses reversible, 2 isotermal proses dan 2 adiabatic/ekspansi proses. Siklus yang terjadi pada refrigator :4-1 : sebagian dari liquid pada campuran uap-liquid berubah menjadi uap setelah mendapat transfer panas di evaporator ( kondisi T dan P konstan)1-2 : proses adiabatic pada kompresor ( Suhu dan tekanan bertambah). Uap jenuh terrdapat pada kondisi 2.2-3 : uap jenuh yang mengalami perpindahan panas pada condenser berubah menjadi larutan jenuh pada kondisi 3.3-4 : ekspansi adiabatic terjadi pada turbin (suhu dan tekanan turun)

Perbedaan standar untuk siklus refrigator adalah kebalikan dari siklus carnot. Turbin yang digunakan untuk proses ekspansi antara temperature yang tinggi dan rendah. Ada empat komponen pada siklus kompresi uap refrigator yaitu, kompresor, condenser, evaporator dan throttle (valve ekspansi). Idealnya, refrigan masuk ke dalam kompresor dalam wujud uap jenuh dan didinginkan menjadi kondisi larutan jenuh di condenser. Kemudian di pompa kedalam evaporator dan di uapkan lagi karena menyerap panas dari evaporator tadi.

Contoh sederhana adalah Lemari Es (kulkas) pada aplikasi siklus refrigasi.Gambar 2.2 Lemari esPrinsip kerja dari lemari es adalah sebagai berikut:

Kompresor memompakan gas freon dengan tekanan yang tinggi dan temperatur yang tinggi. Lalu gas freon dikirim ke kondensor untuk dibuang kalornya agar freon dapat berubah bentuk menjadi cair akan tetapi tekanannya masih tinggi. Freon cair ini terus masuk ke pipa kapiler dengan terlebih dahulu disaring dari kemungkinan kotoran yang ikut terbawa. Dari pipa kapiler ini freon cair diuapkan oleh evaporator yang mana sebelumnya melewati katup ekspansi. Didalam evaporator tekanan dan temperature freon rendah sekali sehingga freon kembali ke dalam bentuk gas. Freon yang telah berbentuk gas ini akan masuk ke saluran hisap untuk disirkulasikan ulang oleh kompresor.

Bagian-bagian refrigeratorKompresor: digunakan sebagai penekan gas freon sehingga tekanannya menjadi tinggi.Kondensor: berfungsi untuk membuang kalor dari freon sehingga freon berubah bentuk dari gas menjadi cair.Filter: berfungsi untuk menyaring freon dari kemungkinan kotoran yang ikut terbawa freon.Pipa kapiler: berfungsi untuk menghasilkan tekanan yang tinggi ketika Freon berbentuk cair.Expanding Valve: berfungsi untuk mengatur banyaknya Freon yang masuk ke evaporator.Evaporator: merupakan tempat penguapan Freon cair menjadi gas sehingga temperature freon menjadi rendah. Thermostat: berfungsi untuk mengatur temperatur dari freezer.Akumulator: berfungsi untuk menampung bahan pendingin cair.

2.2 SIKLUS KOMPRESSI UAPSiklus kompressi uap pada siklus refrigerasi ditunjukkan pada Gambar 9.1.QH

QCCondensorEvaporatorKompressorThrottle Valve

Gambar 2.4 Siklus Refrigerasi Carnot

Diagram T S pada siklus kompresi uap ditunjukkan pada Gambar 9.2 berikut ini:Gambar 2.5 T- S Diagram siklus refrigerasi CarnotTS 1 23

34

Diagram P-H pada siklus kompresi uap ditunjukkan pada Gambar 9.3 berikut ini :Const S Gambar 2.6 P- H Diagram siklus refrigerasi CarnotlnPH1234

Pada Gambar 9.1 (siklus refrigerator Carnot), proses pertama yang terjadi adalah evaporasi liquid pada tekanan tetap. Pada proses ini ada panas yang diserap pada temperatur rendah yang konstan. Uap yang terbentuk dari proses evaporasi kemudian dikompressi hingga tekanannya lebih tinggi. Kemudian uap tersebut didinginkan dan dikondensasikan pada condenser. Proses kondensasi ini melepas panas pada temperatur yang lebih tinggi. Selanjutnya liquid dari kondenser diekspansikan hingga tekanannya kembali pada tekanan awal. Kemudian siklus akan berulang.

Pada Gambar 9.2 (diagram T S) ditunjukkan 4 langkah proses pada siklus kompresi uap, yaitu; Langkah : proses evaporasi liquid pada tekanan konstan. Proses ini merupakan proses isothermal karena tidak terjadi perubahan suhu, melainkan hanya perubahan fase. Pada tahap ini terjadi penyerapan panas (QC) pada temperatur rendah.

Langkah : proses kompressi, garis 2 3 menunjukkan kompressi isentropis yang irrevesibel.

Langkah : proses kondensasi dengan melepas panas ke lingkungan/surrounding (QH) yang temperaturnya lebih tinggi.

Langkah : proses ekspansi melalui Throttle valve. Entalpi pada proses ini adalah konstan .

Bila basis pada proses ini adalah 1 unit massa fluida, maka jumlah panas yang diserap di eveporator dan panas yang dibuang pada condenser dapat dihitung dengan persamaan :

dan

Apabila perubahan energi potensial dan kinetik nya diabaikan, maka kerja kompressi adalah :

dan dengan persamaan (9.2) coefficient of performance C O P , adalah ;

Untuk mendesain evaporator, kompressor, kondensor, dan alat pelengkap lainnya, harus diketahui laju alir sirkulasi refrigeran . Harga ini ditentukan dari laju penyerapan panas di evaporator dengan persamaan berikut ;

2.4 Refrigerasi Absorpsi

Pada dasarnya, sistem refrigerasi absorpsi tidak jauh berbeda dengan sistem kompresi uap. Perbedaan yang paling besar hanya ada pada kompresoryang telah digantikan dengan mekanisme absorpsi yang kompleks, yang terdiri dari absorber, pompa, generator,regenerator/heat exchanger, katup, dans ebuah rectifier/separator.Peningkatan COP (Coefficient Of Performance) dari mesin refrigerasi dapat dilakukan dengan menurunkan kerja yang dibutuhkan oleh kompresor. Dibanding dengan sebuah kompresor, pompa dapat melakukan proses kompresi fluida cair dengan kerja input yang jauh lebih kecil untuk laju massa yang sama. Oleh karena itu dalam sistem refrigerasi absorpsi, refrigeran akan dilarutkan dalam fluida cair sebagai media transport sehingga refrigeran dapat dikompresi dengan kerja yang lebih kecil. Refrigeran yang sering dipakai adalah amoniak dengan media transport berupa air. Refrigeran lain yang juga dipakai adalah air dengan media transport berupa lithium bromide atau lithium chloride. Keunggulan sistem ini lebih terasa apabila ada sumber panas dengan temperatur 100200C yang murah seperti misalnya energi surya, geotermal dan lain-lain. Skema sistem refrigerasi absorpsi bisa dilihat pada gambar di atas.

Amoniak murni keluar dari evaporator dan masuk ke absorber. Di dalam absorber, amoniak larut dalam air sehingga terbentuk larutan air-amoniak. Karena pelarutan amoniak akan berlangsung dengan lebih baik pada temperatur yang lebih rendah maka larutan dalam absorber didinginkan dengan cooling water. Larutan air-amoniak kemudian masuk ke pompa untuk mengalami proses kompresi dan masuk ke regenerator untuk menerima panas. Pemanasan larutan air-amoniak lebih lanjut dilakukan dalam generator dengan sumber panas, misalnya dari energi surya, sehingga terjadi proses penguapan larutan. Larutan yang menguap kemudian masuk ke rectifier untuk dilakukan pemisahan amoniak dan air. Amoniak murni masuk ke kondenser dan melanjutkan siklus refrigerasi, sedangkan air kembali masuk generator untuk dipakai kembali sebagai media transport. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa prinsip sistem absorpsi adalah sama dengan dengan sistem kompresi uap, hanya berbeda pada bagian dalam garis putus-putus.

1.8 Sistem Refrigerasi TermoelektrikTelah diketahui dari apa yang disebut efek Seebeck bahwa dua buah logam yang berbeda apabila ujung-ujungnya dihubungkan kemudian dipanaskan salah satu ujungnya maka akan timbul arus listrik dalam rangkaian logam tersebut.

Efek Seebeck ini kemudian bisa dimanfaatkan untuk sebuah generator listrik yang biasa disebut sebagai thermoelectric power generator. Seperti pada bagian sebelumnya bahwa siklus daya dan siklus refrigerasi adalah mempunyai prinsip kerja yang sama hanya dengan arah yang berlawanan, maka siklus daya termoelektrik ini bisa juga dipakai untuk siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi termoelektrik akan memanfaatkan efek Peltier dimana apabila dialirkan arus listrik dalam rangkaian yang terbuat dari dua buah logam yang berbeda, maka pada ujung yang satu terjadi penyerapan kalor dan pada ujung yang satunya terjadi pembuangan kalor. Prinsip kerja dan susunan sistem secara skematis dapat dilihat di gambar di bawah.

Pada aplikasinya refrigerasi termoelektrik akan menggunakan semikonduktor sebagai media untuk menyerap dan membuang kalor. Walaupun sistem ini mempunyai kelemahan yaitu rendahnya efisiensi, tetapi karena ringan, sederhana, dan tidak berisik maka dipandang sebagai teknologi refrigerasi masa depan.

2.5 Pompa KalorPompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya.Berdasarkan pada hukum kedua termodinamika, panas tidak bisa secara spontan mengalir dari sumber bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur tinggi; suatu kerja dibutuhkan untuk melakukan ini. Pompa kalor berbeda dalam hal bagaimana mereka mengaplikasikan kerja tersebut untuk memindahkan panas, namun pada dasarnya pompa kalor adalah mesin kalor yang bekerja secara terbalik. Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih panas.Sejak pompa kalor menggunakan sejumlah kerja untuk memindahkan panas, sejumlah energi yang dibuang ke lokasi yang lebih panas mengandung kalor yang lebih tinggi dari pada sejumlah kalor yang diambil dari sumber dingin. Satu tipe pompa kalor bekerja dengan mengeksploitasi sifat fisik penguapan dan pengembunan fluida yang disebut refrigran. Fluida yang bekerja, pada keadaan gasnya, diberi tekanan dan disirkulasikan menuju sistem dengan kompresor. Pada satu sisi dari kompresor, di mana gas dalam keadaan panas dan bertekanan tinggi, didinginkan di penukar panas yang disebut kondenser, hingga fluida itu mengembun pada tekanan tinggi. Refrigeran yang telah mengembun melewati alat penurun tekanan yang dapat dilakukan dengan memperluas volume saluran (memperlebar saluran atau memperbanyak cabang), atau juga bisa dengan penghambat berupa turbin. Lalu, refrigeran yang berbentuk cair masuk ke sistem yang ingin didinginkan. Dalam proses pendinginan itu, refrigeran mengambil panas sehingga refrigeran kembali menguap dan sistem menjadi dingin.Dalam sistem seperti ini, sangat penting bagi refrigeran untuk mencapai suhu tinggi ketika diberi tekanan, karena panas sulit bertukar dari fluida dingin ke lokasi yang lebih panas secara spontan. Dalam hal ini, refrigeran harus bersuhu lebih tinggi dari temperatur penukar panas. Dengan kata lain, fluida harus bertekanan rendah jika ingin mengambil kalor dari suatu sistem dan menguap, dan fluida harus bertekanan tinggi jika ingin membuang kalor dan mengembun. Hal ini sesuai dengan persamaan gas ideal yang menyatakan bahwa temperatur berbanding lurus dengan tekanan. Jika hal ini tercapai, efisiensi tertinggi akan tercapai.2.6 Proses PencairanGas hasil pencairan umum digunakan untuk berbagai keperluan seperti, propana cair dalam silinder berfungsi sebagai bahan bakar, oksigen cair dalam roket, gas alam cair untuk transportasi laut, dan nitrogen cair digunakan untuk pendinginan suhu rendah. Selain itu, campuran gas (misalnya, udara) yang dicairkan untuk pemisahan menjadi spesies komponen dengan fraksinasi. Hasil pencairan ketika gas didinginkan sampai suhu pada dua fase dapat dicapai dengan beberapa cara:1. Dengan pertukaran panas pada tekanan konstan.2. Dengan proses ekspansi dari kerja yang diperoleh.3. Dengan proses throttling.Tiga metode diilustrasikan pada Gambar. 9.5. Proses tekanan konstan (1) mendekati wilayah dua fase (dan pencairan) paling mendekati penurunan suhu. Proses throttling (3) tidak terjadi pencairan kecuali bila titik awalnya bertekanan tinggi dan bertemperatur rendah untuk mencapai proses entalpi yang konstan untuk membaginya dalam dua fase wilayah. Ini tidak terjadi saat titik awalnya di A. Jika keadaan awal adalah A', di mana suhu adalah sama tetapi tekanan lebih tinggi dari pada A, maka ekspansi isenthalpic dengan proses (3') tidak mengakibatkan pembentukan cairan.

Fig 9.5 Proses Pendinginan pada Diagram TSPerubahan negara dari A ke A 'yang paling mudah dilakukan dengan kompresi gas ke tekanan akhir di B, diikuti dengan pendinginan-tekanan konstan ke A'. Pencairan oleh ekspansi isentropik di sepanjang proses (2) dapat dicapai dari tekanan rendah (dari suhu yang diberikan) daripada dari throttling. Sebagai contoh, kelanjutan dari proses (2) dari keadaan awal A akhirnya mengakibatkan pencairan. Proses throttling (3) paling umum digunakan dalam plant pencairan skala kecil. Suhu gas tentunya harus turun selama ekspansi. Ini memang apa yang terjadi dengan sebagian besar gas pada kondisi biasa suhu dan tekanan.Suhu harus cukup rendah dan tekanan cukup tinggi sebelum throttling bahwa jalan enthalpy konstan terbagi menjadi dua fase. Sebagai contoh, mengacu pada diagram TS untuk udara menunjukkan bahwa pada tekanan 100 atm suhu harus kurang dari 169 K untuk setiap pencairan terjadi sepanjang jalur enthalpy konstan. Dengan kata lain, jika udara dikompresi hingga 100 atm dan didinginkan sampai di bawah 169 K, dapat sebagian dicairkan dengan throttling. Cara yang paling ekonomis untuk mendinginkan gas untuk pencairan adalah dengan pertukaran panas arus balik sebagian dari gas yang tidak mencair dalam proses throttling.Proses pencairan Linde, yang hanya tergantung pada ekspansi throttling, ditunjukkan pada Gambar. 9.6. Setelah kompresi, gas didinginkan dengan suhu lingkungan. Ini mungkin jauh lebih dingin dengan menggunakan pendingin. Semakin rendah suhu gas memasuki katup throttle, semakin besar fraksi gas yang dicairkan. Sebagai contoh, refrigeran menguap di dingin di 233,15 K (-40C) memberikan suhu yang lebih rendah pada katup daripada jika air pada 294,15 K (2C) adalah media pendingin.Sebuah proses pencairan yang lebih efisien akan menggantikan katup throttle dengan expander, tapi operasi alat tersebut ke daerah dua fase tidak praktis. Gas pada suhu menengah diekstrak dari sistem pertukaran panas dan melewati sebuah expander sebagai uap jenuh atau sedikit superheated. Sisa gas selanjutnya didinginkan dan melalui katup untuk menghasilkan pencairan seperti dalam proses Linde. Bagian yang tidak mencair, yaitu uap jenuh, bercampur dengan expander dan kembali untuk di-recycle melalui sistem penukar panas.

Fig. 9.6 Proses Likufaksi Linde

Fig 9.7 Proses Likuifaksi ClaudeKeseimbangan energi, Persamaan. (2.30), diterapkan pada bagian dari proses di sebelah kanan garis vertikal putus-putus:

Jika expander beroperasi adiabatik, yang diberikan oleh Persamaan. (7.13), adalah:

Selain itu, dengan keseimbangan massa, . Keseimbangan energi, setelah pembagian dengan menjadi: Dengan definisi dan si , hasil dari z menjadi: (9.7)Dalam persamaan ini z adalah bagian dari aliran masuk ke dalam sistem penukar panas yang dicairkan, dan x adalah fraksi aliran ini yang ditarik antara penukar panas dan melewati expander. Jumlah yang terakhir (x) adalah variabel desain, dan harus ditentukan sebelum Persamaan. (9.7) yang dapat diselesaikan untuk z. Perhatikan bahwa hasil proses Linde saat x = 0, dan dalam hal ini Persamaan. (9.7) menjadi: (9.8)Dengan demikian proses Linde adalah kasus pembatasan proses Claude, diperoleh ketika tidak ada aliran gas bertekanan tinggi dikirim ke expander. Persamaan (9.7) dan (9.8) menunjukan bahwa tidak ada panas mengalir ke dalam sistem dari lingkungan.