contoh penyelesaian soal sistem refrigerasi.pdf

7/24/2019 contoh penyelesaian soal sistem refrigerasi.pdf

1/18

ADVANCE LEARNING PROGRAM

(ALP CONSULTANT)

BIDANG STUDI

Fundamental

Thermodinamika, Perpindahan Panas, Mekanika Fluida, Konservasi Energi

Analisis Manual Dasar

Heat Exchanger, Sistem Uap, Sistem Refrigerasi dan AC

ALAMAT KONTAK

By Phone:

+6281370934621

By Email:

[email protected]


2/18

Contoh soal: Sistem Refrigerasi Multi tingkat Kompressor

Sebuah siklus kompresi uap yang dimodifikasi mempunyai 3 kompresor, 2 flash cooler, dan 2

mixer chamber dioperasikan pada temperatur evaporasi -10 oC dan temperatur kondensasi 40

oC. Fluida kerja yang digunakan adalah R-134a dan beban pendingin yang terjadi di

evaporator 1000 ton. Jika siklus yang bekerja adalah ideal, buatlah analisa thermodinamika

dan tentukanlah COP sistem tersebut.

Diketahui: Siklus kompressi uap ideal multi tingkat kompressor seperti gambar 1, dengan

parameter design adalah:

Fluida kerja siklus adalah R-134a

QE = 1000 TR =TE = -10

oC

TK = 40oC

Ditanya:

1. Analisa thermodinamika untuk siklus

2. COP siklus

Keterangan gambar:

Fc : adalah flash cooler

Mc : adalah mixer chamber

C : adalah kompressor

Subcript 1, 2, 3 adalah multitingkat

peralatan

Gambar 1. SKU ideal (modifikasi)

multitingkat kompressor.


3/18

Gambar 2. Diagram p-h siklus kompresi ual multi tingkat kompressor

Penyelesaian:

1. Analisa thermodinamika

Dari bentuk persoalaan data yang diketahui: Titik 1

Dari tabel saturasi R-134a pada temperatur evaporasi (TE) -10oC, diperoleh:

P1 = PE= 200,6 kPa

h1 = 392,75 kJ/kg

s1 = 1,7337 kJ/kg. K

Titik 7

Dari tabel saturasi R-134a pada temperatur kondensasi (TK) 40oC, diperoleh:

P7 = PK= 1016,6 kPa

h7 = 256,41 kJ/kg

s7 = 1,1903 kJ/kg. K

Rasio tekanan antara optimum, dimana jumlah kompressor (n) 3 buah:

71767,16,200

6,10163/1/1

n

E

K

P

Pr


4/18

Maka tekanan antara Pi, 1 dan `Pi, 2dapat ditentukan:

kPa56460,3446,20071767,11, Ei PrP

dan

kPa84828,59156460,34471767,11,2, ii PrP

Dari tabel saturasi R-134a, berdasarkan tekanan Pi, 1diperoleh:

Pi, 1(kPa) hL= h13(kJ/kg) hV= h12(kJ/kg) sL= s13(kJ/kg. K) sV= s12(kJ/kg. K)

337,66 205,40 400,92 1,0195 1,7250

344,56460 h13 h12 s13 s12

361,98 208,11 402,06 1,0292 1,7240

Maka harga enthalpy:

kJ/kg401,24365)92,40006,402(66,33798,361

56460,34498,36106,40212

h

dan

kJ/kg206,16939)40,20511,208(66,33798,361

56460,34498,36111,20813

h

Untuk harga entropy:

KkJ/kg.1,72472)7240,17250,1(66,33798,361

56460,34498,3617240,112

s

dan

KkJ/kg.022251,)0195,10292,1(66,33798,361

56460,34498,3610292,113

s

Dari tabel saturasi R-134a, berdasarkan tekanan Pi, 2diperoleh:

Pi, 2(kPa) hL= h10(kJ/kg) hV= h9(kJ/kg) sL= s10(kJ/kg. K) sV= s9(kJ/kg. K)

571,71 227,47 408,69 1,0962 1,7180

591,84828 h10 h9 s10 s9

607,89 230,29 410,79 1,1057 1,7173

Maka harga enyhalpy:

kJ/kg409,85889)69,40879,410(71,57189,607

84828,59189,60779,4109

h

dan

kJ/kg229,03965)47,22729,230(71,57189,607

84828,59189,60729,23010

h


5/18

Untuk harga entropy:

KkJ/kg.1,71761)7180,17173,1(71,57189,607

84828,59189,6077173,19

s

dan

KkJ/kg.1,10744)0962,11057,1(71,57189,607

84828,59189,6071057,110

s

Analisa padaflash cooler1 (FC, 1) untuk mendapatkan fraksix, berdasarkan hukum kekekalan

energi:

0,15137229,03965409,85889

229,0396541,256

:maka,dimana

atau

)1(

78109

108

1098

x

hhhh

hhx

hxxhh

Analisa padaflash cooler1 (FC, 2) untuk mendapatkan fraksiy, berdasarkan hukum kekekalan

energi:

0,09949

16939,062401,24365

)16939,06203965,229(0,15137)1(

:maka,dimana))(1(

atau

)1()1(

10111312

1311

131211

y

hhhh

hhxy

hyxyhhx

Analisa harga enthalpy untuk titik 2 dan 3

Enthalpy pada titik 2

kJ/kg403,73737)16939,20624365,401(02225,172472,1

72472,17337,124365,401

sdimana)(

2

1213121312

122122

h

shhss

sshh


6/18


Analisa pada mixer chamber(MC1) untuk mendapatkan harga enthalpy (h3):

kJ/kg403,44502

)15137,01(

]24365,40109949,0[]73737,403)09949,015137,01[(

)1(

)1(

atau

)1()1(

1223

1223

x

yhhyxh

yhhyxhx

Entropi pada titik 3

KkJ/kg.1,73265

)15137,01(

]1,7247209949,0[]1,7337)09949,015137,01[(

)1(

)1(

atau

)1()1(

1223

1223

x

yssyxs

yssyxsx

Enthalpy pada titik 4 dan 5


kJ/kg8414,3158)229,03965409,85889(1,107441,71761

1,717611,73265409,85889

sdimana)(

4

34109109

9494

h

shhss

sshh

Analisa pada mixer chamber(MC2) untuk mendapatkan harga enthalpy (h3):

kJ/kg413,64123

]409,8588915137,0[]8414,3158)15137,01[(

)1(945

xhhxh

Entropi pada titik 5

KkJ/kg.1,73037

]1,7176115137,0[]1,73265)15137,01[(

)1( 945

xssxs


7/18

Titik 6

567676

6666 sdimana)(

shh

ss

sshh a

a

aa

Untuk nilai h6adan s6a merupakan uap saturasi pada Tk= 40oC:

h6a = 419,58 kJ/kg

s6a = 1,7115 kJ/kg. K

h7 = 256,41 kJ/kg

s7 = 1,1903 kJ/kg. K

maka,

kJ/kg425,48756)256,41419,58(1,19031,7115

1,71151,73037419,586

h

Tabel 1. Rangkuman sifat-sifat thermodinamika R-134a pada setiap titik

Titik Enthalpy (kJ/kg) Entropy (kJ/kg. K)

1 392,75 1,7337

2 403,73737 1,7337

3 403,44502 1,73265

4 414,31588 1,73265

5 413,64123 1,73037

6 425,48756 1,73037

7 256,41 1,1903

8 256,41

9 409,85889 1,71761

10 229,03965 1,10744

11 229,03965

12 401,24365 1,72472

13 206,16939 1,02225

14 206,16939

2. Analisa statistik siklus kompresi uap multi tingkat kompressor

a. Laju aliran massa refrigeran

Laju aliran refrigeran pada evaporator

kg/s18,84440kJ/kg)16939,20675,392(

)kW/TR(516,3TR1000)( 141

hhQm ee


8/18

Laju aliran massa refrigeran akibat pemasangan Fc1

kg/s22,20567kJ/kg)0,151371(

kg/s18,84440

)1(

x

mM ex

Laju aliran massa akibat pemasangan Fc2

kg/s25,15471kJ/kg)0,099491513701(

kg/s18,84440

)1(

,yx

mM ey

b. Kerja kompressor

Kerja kompressor tingkat 1

kW207,05040kJ/s207,05040

kJ/kg392,75)403,73737(kg/s18,84440)( 121,

hhmW ec


kW273,45333kJ/s273,45333

kJ/kg403,44502)414,31588(kg/s25,15471)( 342,

hhMW yc


kW263,05569kJ/s263,05569

kJ/kg413,64123)425,48756(kg/s22,20567)( 563,

hhMW xc

Kerja total kompressor

kW743,55942kW)0556926345333273207,05040(

3,2,1,

,,

WWWW ccctotal

c. COP sistem

4,72861kW743,55942

)kW/TR(516,3TR1000

total

e

W

Q

COP


9/18

Contoh soal: Sistem Refrigerasi Modifikasi

Sebuah siklus kompressi uap ideal (seperti gambar) dengan menggunakan refrigeran R-134a

dimodifikasi dengan menambahkan sebuah APK. R-134a keluar dari evaporator pada kondisi

uap saturasi dan tekanan 1 bar. Akibat penambahan APK kondisi uap saturasi ini menjadi uap

superheat pada temperatur 5 oC sebelum masuk kompressor. Pada kompressor, uap

dikompresi sampai tekanan 18 bar, kemudian masuk kekondensor dan keluar kondensor pada

temperatur 40 oC. Cairan refrigeran ini, kemudian diekspansikan sampai tekanan evaporator.

Jika laju aliran refrigeran sebesar 12 kg/menit. Tentukanlah: (a) kapasitas refrigerasi, (b) kerja

kompressor dalam kW, dan (c) COP sistem.

Penyelesaian:

Diketahui, SKU seperti gambar:

Pe = P4= P1u= P1= 1 bar

T1 = 5oC (uap superheat)

Pk = P2= P3u= P3= 18 bar

refm = 12 kg/menit

Ditanya:

a. Kapasitas refrigerasi

b. Kerja kompressor dalam kW

c. COP

a. Analisa sifat thermodinamika pada setiap titik

Titik 1upada P1u= 1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa, dengan menggunakanNIST ssoftware:

diperoleh:

T1u = -26,36119oC

h1u = 382,59924 kJ/kg

s1u = 1,74749 kJ/kg. K


10/18

Gambar Siklus kompresi uap modifikasi

Gambar. Diagramp h


11/18

Titik 1adalah kondisi uap superheat masuk kompressor pada P1= 0,1 MPa dan T1= 5oC,

dengan menggunakanNIST ssoftware:

diperoleh:

h1 = 407,82400 kJ/kg ; s1= 1,84368 kJ/kg. K

Titik 2adalah titik akhir kerja kompressor, pada kondisi s2= s1= 1,84368 kJ/kg. K dan P2=

18 bar = 1,8 MPa, dengan menggunakanNIST ssoftware:

diperoleh:

h2 = 478,20134 kJ/kg ; T2= 104,31603oC.

Titik 3u adalah titik cairan jenuh keluar dari kondensor pada P3u = 1,8 Mpa, dengan

menggunakanNIST ssoftware:

diperoleh:

h3u = 292,25616 kJ/kg ; T3u= 62,89505oC.


12/18

Untuk titik 3, berdasar keseimbangan energi pada APK, dapat diperoleh:

0)()( 1133 hhhh uu

atau

kJ/kg267,03140

kJ/kg]292,25616407,82400)59924382[(

)( 3113

,

hhhh uu

Titik 4adalah proses ekspansi isentropis, maka:

h4= h3= 267,03140 kJ/kg

b.Analisa statistik sistem

Kapasitas refrigerasi

refrigrantofTons8,00868kW28,15852

kJ/kg)03140,267407,82400(tdetik/meni60

kg/menit12)( 41

hhmQ ee

Kerja kompressor dalam (kW)

kW14,07547kJ/kg)82400407478,20134(tdetik/meni60

kg/menit12)( 12 ,hhmW ec

COP sistem

2,00054kW14,07547

kW28,15852

c

e

W

QCOP


13/18

Contoh soal: Siklus Kompressi Gas

Pada sebuah siklus gas yang menggunakan udara sebagai refrigeran, kondisi udara masuk

kompressor adalah 1 bar 270 K dengan laju aliran volume 1,4 m3/s. Jika rasio kompressi

adalah 3 dan temperatur masuk turbin 300 K. Untuk COP dari sistem ini ditambahkan sebuah

regenerator seperti gambar dibawah, sehingga akibatnya temperatur udara masuk kompressor

menjadi 280 K dan temperatur udara masuk turbin menjadi 290 K. Akibat adanya modifikasi

ini, tentukanlah (a) daya input ke dalam siklus ini, (b) kapasitas refrigerasi, (c) COP.

Penyelesaian:

Diketahui: seperti soal dan gambar diatas

Kondisi sebelum modifikasi

T1 = 270 K

P1 = 1 bar

T3 = 300 K

r = p2/p1= 3

V1 = 1,4 m3/s

Kondisi setelah ada modifikasi

T1' = 280K

T3' = 290 K

Ta = T3= 300 K


14/18

Sifat udara, dimana siklus gas tidak dimodifikasi:

Titik 1adalah kondisi udara masuk kompresor, pada T1= 270 K

h1= 270,11 kJ/kg pr1= 0,9590

Titik 2adalah kondisi udara keluar dari kompresor

2,87739590,012 rprpr

dan

kJ/kg370,101360,5867370(2,6268922

87728922673702

,

,

,,,h

Titik 3adalah kondisi udara masuk ke turbin, pada T3= 300 K

h3= 300,19 kJ/kg pr3= 1,3860

Titik 4adalah kondisi udara keluaran turbin

0,4623/13860,1/134 rprpr

dan

kJ/kg218,974209.97219,97(0,39870,4690

462,00,4690219,974

h

Sifat udara setelah ada modifikasi:

Pada T1' = 280 K (udara masuk kompresor):

h1' = 280,13 kJ/kg pr1' = 1,0889

Pada titik 2dimana r = 3

3,266730889,112 rprpr

dan

kJ/kg383,776380,77390,88(3,1763,481

3,26673,481390,882

h

Pada titik a adalahtemperatur udara keluaran dari APK-2, Ta= T3= 300 Kha= 300,19 kJ/kg pra= 1,3860


15/18

Temperatur masuk ke turbin adalah keluaran dari Regenerator

T3' = 290 K

h3' = 290,16 kJ/kg pr3' = 1,2311

Titik 4adalah kondisi udara keluaran turbin

0,41043/12311,1/134 rprpr

dan

kJ/kg211,634209,97219,97(0,39870,4690

0,41040,4690219,974

h

Pada titik badalah kondisi udara keluar dari APK-1, maka dari keseimbangan energi padaregenerator dapat ditentukan:

kJ/kg270,1

0)16,29019,300()280,13(

0)'()'( 31

b

b

ab

h

h

hhhh

Laju aliran massa udara pada sistem:

kg/s1,742N.m10

kJ1

bar1

N/m10

K28097,28

kJ314,8

bar1/sm4,13

253

1

11

TM

R

pVmu

Analisa statistik sistem yang dimodifikasi:

a. Daya input ke dalam siklus

W43,75904kJ/kg211,634)]16,290(280,13)776383[(/742,1

)]'()'[( 4312

,skg

hhhhmW usiklus

b.Kapasitas refrigerasi

W101,8478kJ/kg)634,2111,270(kg/s742,1)( 4 hhmQ buE

c. COP

2,327W75904,43

W101,8478

siklus

E

W

QCOP


16/18

Contoh soal: Siklus Refrigerasi Absorpsi

Sebuah siklus absorpsi sederhana, menggunakan pasangan amonia-air sebagai refrigeran-

absorbent. Amonia murni masuk kondensor pada tekanan 3200 kPa dan 70 oC. Setelah

mengalami kondensasi, amonia keluar dari kondensor dengan kondisi cair jenuh dan

diekspansikan sampai tekanan 220 kPa. Amonia keluar dari evaporator pada kondisi uap

saturasi. Sebagai sumber panas digenerator digunakan energi surya dengan laju penyinaran

550 W/m2. Luas total kolektor yang digunakan adalah 31,5 m2dan efisiensi 75%. Jika COP

sistem ini diasumsikan sebesar 0,8. Tentukanlah laju aliran massa amonia yang masuk ke

evaporator.

Penyelesaian:

Diketahui: Siklus absorpsi sederhana dengan data:

Refrigeran-Absorbent: Pasangan amonia-air

- Data amonia pada kondensor

Tekanan masuk kondensor (pk) = 3200 kPa

Temperatur kondensor (Tk) = 70oC

Kondisi amonia keluar kondensor = cairan jenuh/saturasi

- Data amonia pada evaporator

Tekanan ekspansi masuk evaporator (pe) = 220 kPa

Kondisi amonia keluar evaporator = uap jenuh/saturasi

- Data generator

Sumber panas generator adalah energi surya dengan laju penyinaran = 550 W/m2

Luas total kolektor = 31,5 m2

Efisiensi kolektor = 75%

- COP sistem keseluruhan = 0,8

Ditanya: Laju aliran massa ammonia yang masuk ke evaporator.


17/18

Generator

AbsorberEvaporator

Kondensor

Ambient

Conditioned space

QK

QE

14

5 6

78

23

QA

QG

KE

Pompa

KE

Gambar Sistem Kompresi Uap Absorbsi

Gambar.p hdiagram siklus kompresi uap absorbsi

Analisa thermodinamika

Langkah pertama adalah menentukan harga enthalpi pada setiap proses/titik. Harga enthalpi

pada titik 1234 dimana ammonia sebagai fluida kerjanya, karena keterbatasan data pada

tabel ammonia, maka untuk menentukan harga enthalpinya digunakan REFPROPsoftware

(NIST Standard Reference Database 23 Version 6.01),


18/18

Pada tekanan ekspansi atau tekanan evaporasi pe = 220 kPa, berdasarkan REFPROP

softwarekondisi uap saturasi diperoleh:

h1= 1442,19 kJ/kg ; s1= s2= 5,85349 kJ/kg. K

Pada tekanan kondensorpk= 3200 kPa dan s2= 5,85349 kJ/kg. K, berdasarkanREFPROP

softwarediperoleh:

h2= 1880,25 kJ/kg kondisi uap panas lanjut

Pada temperatur kondensor Tk = 70oC kondisi cair jenuh, berdasarkan REFPROP

softwarediperoleh:

h3= h4= 545,042 kJ/kg

Untuk menentukan laju aliran massa ammonia dapat digunakan persamaan:

)(Q 41E hhmr

atau

)(

Q

41

E

hhmr

Dimana QEdapat ditentukan:

GP

E

QW

QCOP

Dimana kerja pompa dapat diabaikan, maka:

GE

G

E QQQ

Q COPCOP

Dimana COP = 0,8, dan panas generator berdasarkan data yang diketahui dapat ditentukan:

kW99375,12W12993,7575,0m5,31W/m550 22 GQ

jadi

kJ/s10,395kW10,395kW99375,128,0COP GE QQ

Oleh karena itu, laju aliran massa ammonia:

kg/s0,01159kJ/kg545,042)1442,19(

kJ/s10,395

)( 41

hh

Qm Er

contoh penyelesaian soal sistem refrigerasi.pdf

Documents