siklus refrigerasi (brief)

3. Bab 11 : Siklus Refrigerasi3. Bab 11 : Siklus Refrigerasi11-1 Refrigerator dan Pompa Kalor (Heat Pump)11-1 Refrigerator dan Pompa Kalor (Heat Pump)11-2 Siklus Carnot Terbalik (Reversed Carnot Cycle)11-2 Siklus Carnot Terbalik (Reversed Carnot Cycle)11-3 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Ideal Sederhana11-3 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Ideal Sederhana11-4 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Aktual11-4 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Aktual11-5 Sistem Pompa Kalor (Heat Pump System)11-5 Sistem Pompa Kalor (Heat Pump System)11-6 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Inovatif11-6 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Inovatif

- Siklus Refrigerasi Cascade- Siklus Refrigerasi Cascade - Siklus Refrigerasi Kompresi Multistage- Siklus Refrigerasi Kompresi Multistage

- Siklus Refrigerasi Multipurpose dengan Kompresor- Siklus Refrigerasi Multipurpose dengan Kompresor TunggalTunggal

- Pencairan Gas (Liquefaction of Gases)- Pencairan Gas (Liquefaction of Gases)11-7 Siklus Refrigerasi Gas11-7 Siklus Refrigerasi Gas

11-1 Refrigerator & Pompa Kalor (Heat Pump)

FIGURE 11–1Tujuan dari suatu refrigerator adalah jumlah kalor yg dibuang ( (QL) dari ruang yg didinginkan;

Tujuan dari suatu pompa kalor (heat pump) adalah jumlah kalor yg disuplai (QH) ke ruang yg dihangatkan.

Coefficient Of Performance (COP) :

11-2 Siklus Carnot Terbalik (Reversed Carnot)

FIGURE 11–2Skema dari Refrigerator Carnot & diagram T-s dari siklus Reversed Carnot

Siklus Reversed Carnot siklus ideal / impian sbg pembanding siklus-siklus refrigerasi riil yang ada.

COP (Coefficients Of Performance) dari Refrigerator Carnot :

COP (Coefficients Of Performance) dari Pompa Kalor Carnot :

11-3 Siklus RefrigerasiKompresi Uap Ideal Sederhana

FIGURE 11–3Skema & diagram T-s untuk siklus refrigerasi kompresi uap ideal

Proses-proses dalam siklus kompresi uap ideal sederhana :

1 2 : Kompresi Isentropik di Kompresor2 3 : Pembuangan kalor di Kondensor pada P = konstan3 4 : Throttling di Katup Ekspansi (h = konstan)4 1 : Penyerapan kalor di Evaporator pada P = konstan

FIGURE 11–4An ordinary household refrigerator.

FIGURE 11–5Diagram P-h dari siklus refrigerasi kompresi uap ideal

1 2 : Kompresi Isentropik di Kompresor2 3 : Pembuangan kalor di Kondensor pada P = konstan3 4 : Throttling di Katup Ekspansi (h = konstan)4 1 : Penyerapan kalor di Evaporator pada P = konstan

Persamaan keseimbangan energi aliran tunak per satuan massa sbb:

Nilai COP dari refrigerator & pompa kalor (heat pump) yang beroperasi pada siklus refrigerasi kompresi uap dapat dinyatakan sbb :

11-4 Siklus RefrigerasiKompresi Uap Aktual

FIGURE 11–7Skema dan diagram T-s untuk siklus refrigerasi kompresi uap aktual

Kesalahan Dalam Menggambar Diagram Proses (T-s)

Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Aktual

11-5 Sistem Pompa Kalor (Heat Pump) – Dual Mode

FIGURE 11–9Pompa kalor dapat digunakan untuk manghangatkan rumah pada saat musim dingin & mendinginkan rumah pada saat musim panas.

11-6 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Inovatif

1. Sistem Refrigerasi Cascade

Perbandingan laju aliran massa yang melewati tiap siklus sbb :

Sehingga :

2. Siklus Refrigrasi Kompresi Tingkat Banyak(Multistage Compression Refrigeration Systems)

FIGURE 11–12Siklus refrigerasi kompresi 2 tingkat dengan sebuah flash chamber.

3. Sistem Refrigerasi Multipurpose dengan sebuah Kompresor

FIGURE 11–14Skema & diagram T-s untuk suatu unit refrigerator-freezer dengan sebuah kompresor

4. Pencairan Gas

FIGURE 11–15Sistem Linde-Hampson untuk pencairan gas

11-7 Siklus Refrigerasi Gas

FIGURE 11–16Siklus refrigerasi gas sederhana

FIGURE 11–18Sebuah sistem pendinginan pesawat terbang siklus terbuka

FIGURE 11–19Siklus refrigerasi gas dengan regenerasi

Soal-Soal Latihan

Siklus Refrigerasi

EXAMPLE 11–1Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Ideal

Suatu refrigerator menggunakan refrigeran R-134a sebagai fluida kerja & beroperasi pada sebuah siklus refrigerasi kompresi uap ideal antara batas tekanan 0,14 MPa & 0,8 MPa. Jika laju aliran massa refrigeran sebesar 0,05 kg/s, tentukan : (a) laju kalor yang dibuang dari ruangan yang didinginkan & daya masukan ke kompresor (b) laju pembuangan kalor ke lingkungan (c) COP dari refrigerator ini

FIGURE 11–6Diagram T-s dari siklus refrigerasi kompresi uap ideal pada Example 11–1.

Solusi :

Asumsi : 1. Kondisi operasi tunak 2. Perubahan energi kinetik & potensial diabaikan

Analisis :Catat bahwa refrigerator beroperasi pada siklus kompresi uap ideal sehingga proses pada kompresor adalah isentropik, refrigeran keluar kondensor sebagai cairan jenuh & masuk kompresor sebagai uap jenuh. Dari tabel refrigeran R-134a, nilai entalpi refrigeran pada seluruh kondisi dapat ditentukan sbb :

(a) Laju pembuangan kalor dari ruang yg didinginkan & daya masukan ke kompresor ditentukan sbb :

dan

(b) Laju pembuangan kalor dari refrigeran ke lingkungan :

Atau dapat ditentukan dari :

(c) COP dari refrigerator adalah :

Refrigerator ini membuang kalor dari ruangan yang didinginkan hampir 4 kali dari masukan energi listriknya.

Diskusi :Hal yang menarik jika katup ekspansi diganti dengan turbin isentropik. Entalpi pada kondisi 4s (sisi keluar turbin dengan P4s = 0,14 MPa, dan s4s = s3 = 0,35404 kJ/kg · K) sebesar 88,94 kJ/kg, dan turbin akan memproduksi daya 0,33 kW.Hal ini akan menurunkan daya masukan ke refrigerator dari 1,81 kW menjadi 1.48 kW dan menaikkan laju kalor yang dibuang dari rungan yang didinginkan dari 7,18 kW menjadi 7,51 kW. Sebagai hasil, COP dari refrigerator akan naik dari 3,97 kW menjadi 5,07 (kenaikannya 28 %)

EXAMPLE 11–2Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Aktual

Refrigeran R-134a masuk kompresor suatu refrigerator sebagai uap panas lanjut pada 0,14 MPa dan -10°C dengan laju aliran massa 0,05 kg/s dan keluar pada 0,8 MPa dan 50°C.

Lalu refrigeran didinginkan di kondensor ke kondisi 26°C dan 0,72 MPa & selanjutnya di-throttled ke tekanan 0,15 MPa.

Dengan mengabaikan sejumlah transfer kalor & penurunan tekanan pada sistem perpipaan antara komponen, tentukan : (a) laju pembuangan kalor dari ruang yang didinginkan & masukan daya ke kompresor (7,8825 kW dan 2,0495 kW) (b) Efisiensi isentropik kompresor (91,85 %) (c) COP dari refrigerator aktual (3,85) (d) COP dari refrigerator Carnot (ideal) (3,81 tidak logis)


Refrigeran R-134a masuk kompresor suatu refrigerator sebagai uap panas lanjut pada 0,14 MPa dan -10°C dengan laju aliran massa 0,05 kg/s dan keluar pada 0,8 MPa dan 60°C.


Tentukan : (a) laju pembuangan kalor dari ruang yang didinginkan & masukan daya ke kompresor (7,8825 kW dan 2,579 kW) (b) Efisiensi isentropik kompresor (72,99 %) (c) COP dari refrigerator aktual (3,06) (d) COP dari refrigerator Carnot (ideal) (3,31 logis) (e) EER refrigerator aktual dlm satuan (Btu/hr)/kW [ 10.430 (Btu/hr)/kW ]


Refrigeran R-134a masuk kompresor suatu refrigerator sebagai uap panas lanjut pada 0,14 MPa dan -10°C dengan laju aliran massa 0,05 kg/s dan keluar pada 0,8 MPa.


Dengan mengabaikan sejumlah transfer kalor & penurunan tekanan pada sistem perpipaan antara komponen, jika efisiensi isentropik kompresor sebesar 75%, tentukan : (a) laju pembuangan kalor dari ruang yang didinginkan & masukan daya ke kompresor (b) COP dari refrigerator aktual (c) COP dari refrigerator Carnot (ideal)

FIGURE 11–8Diagram T-s untuk Example 11–2.

Solusi :

Asumsi : 1. Kondisi operasi tunak 2. Perubahan energi kinetik & potensial diabaikan

Analisis :Catat bahwa refrigeran meninggalkan kondensor sebagai cairan terkompresi & masuk kondensor sebagai uap panas lanjut. Entalpi dari refrigeran pada berbagai kondisi ditentukan dari tabel refrigeran sbb :

(a) Laju pembuangan kalor dari ruangan yang didinginkan & masukan daya ke kompresor sbb :

dan

(b) Efisiensi isentropik kompresor ditentukan sbb :

Dengan entalpi pada kondisi 2s (P2s = 0,8 MPa dan s2s = s1 = 0.9724 kJ/kg · K) sebesar 284.21 kJ/kg. Sehingga :

(c) COP refrigerator adalah :

Diskusi :Soal ini identik dengan yang dikerjakan pada Example 11–1, kecuali bahwa refrigerant masuk kompresor pada kondisi uap panas lanjut & kondisi subcooled saat keluar kondensor. Juga, kompresor tidak isentropik.Sebagai hasil, laju pembuangan kalor dari ruangan yang didinginkan naik (sebesar 10,4 %), namun daya masukan ke kompresor naik lebih besar (sebesar 11,6 %). Sehingga COP dari refrigerator turun dari 3,97 menjadi 3,93.

EXAMPLE 11–5Siklus Refrigerasi Gas Ideal Sederhana

Sebuah siklus refrigerasi gas sederhana menggunakan udara sebagai fluida kerja untuk menjaga ruangan yang didinginkan pada 17°C & membuang kalor ke lingkungan sekitar sehingga suhu masuk turbin 32°C. Rasio tekanan kompresor sebesar 4.

Tentukan : (a) Suhu maksimum & minimum di dalam siklus ini (b) COP (c) Laju refrigerasi jika laju aliran massa sebesar 0,05 kg/s.

FIGURE 11–20Diagram T-s untuk siklus refrigerasi gas ideal pada Example 11–5.

Soal 11-115

Suatu Pompa Kalor yang beroperasi pada siklus refrigerasi kompresi uap dengan R-134a sebagai fluida kerja, beroperasi antara batas tekanan 0,32 MPa dan 1,2 MPa.

Tentukan COP Pompa Kalor ini !

a. 0,17 b. 1,2 c. 3,1

d. 4,9 e. 5,9

Soal 11-116

Suatu siklus refrigerasi gas ideal menggunakan udara sebagai fluida kerja yang beroperasi antara batas tekanan 80 kPa dan 280 kPa. Udara didinginkan ke suhu 35 oC sebelum masuk turbin.

Tentukan suhu terendah pada siklus ini !

a. -58 oC b. -26 oC c. 5 oC

d. 11 oC e. 24 oC

Soal 11-111

Suatu Refrigerator membuang kalor dari suatu ruang yang didinginkan pada -5 oC dengan laju 0,35 kJ/s dan membuang kalor ke udara luar yang bersuhu 20 oC.

Tentukan masukan daya minimum siklus ini !

a. 30 W b. 33 W c. 56 W

d. 124 W e. 350 W

Soal 11-112

Suatu Refrigerator beroperasi pada siklus refrigerasi kompresi uap ideal dengan R-134a sebagai fluida kerja antara batas tekanan 120 kPa dan 800 kPa. Jika laju aliran kalor yang dibuang dari ruang yang didinginkan sebesar 32 kJ/s, tentukan laju aliran massa refrigeran !

a. 0,19 kg/s b. 0,15 kg/s c. 0,23 kg/s

d. 0,28 kg/s e. 0,81 kg/s

Soal 11-113

Suatu Pompa Kalor beroperasi pada siklus refrigerasi kompresi uap ideal dengan R-134a sebagai fluida kerja beroperasi di antara batas tekanan 0,32 MPa dan 1,2 MPa. Jika laju aliran massa refrigeran sebesar 0,193 kg/s, tentukan laju aliran kalor yang disuplai oleh pompa kalor ke ruang yang dihangatkan !

a. 3,3 kW b. 23 kW c. 26 kW

d. 31 kW e. 45 kW

Soal 11-114

Suatu siklus refrigerasi kompresi uap ideal dengan R-134a sebagai fluida kerja, beroperasi antara batas tekanan 120 kPa dan 1000 kPa. Tentukan fraksi massa refrigeran yang berfasa cair pada bagian inlet evaporator !

a. 0,65 b. 0,6 c. 0,4

d. 0,55 e. 0,35

EXAMPLE 11–3Siklus Refrigerasi Cascade 2 Tingkat

Perhatikan suatu sistem refrigerasi cascade 2 tingkat yang beroperasi antara batas tekanan 0,8 MPa dan 0,14 MPa. Setiap tingkat beroperasi pada siklus refrigerasi kompresi uap ideal dengan refrigeran R-134a sebagai fluida kerja.

Pembuangan kalor pada siklus sebelah bawah ke siklus sebelah atas terjadi pada suatu alat penukar kalor dengan aliran berlawanan arah yang adiabatik (adiabatic counterflow heat exchanger) dimana kedua aliran masuk pada tekanan sekitar 0,32 MPa. (Secara praktis, fluida kerja dari siklus sebelah bawah adalah bertekanan & bersuhu lebih tinggi untuk pertukaran kalor yang efektif).

Jika laju aliran massa refrigeran yang melalui siklus sebelah atas sebesar 0,05 kg/s, tentukan : (a) Laju aliran massa refrigeran melalui siklus sebelah bawah (b) Laju pembuangan kalor dari ruang yang didinginkan & daya masukan ke kompresor (c) COP dari refrigerator cascade ini

FIGURE 11–11Diagram T-s dari siklus refrigerasi cascade untuk Example 11–3.

Solusi :

Asumsi : 1. Kondisi operasi tunak 2. Perubahan energi kinetik & potensial diabaikan. 3. Alat penukar kalor bersifat adiabatik.

Sifat-Sifat :Entalpi dari refrigeran pada semua kondisi ditentukan dari tabel refrigeran & ditunjukkan pada diagram T-s.

Analisis :Siklus sebelah atas diberi label A & siklus sebelah bawah adalah B.Untuk kedua siklus, refrigeran keluar kondensor sebagai cair jenuh & masuk kompresor sebagai uap jenuh.

(a) Laju aliran massa refrigeran pada siklus sebelah bawah ditentukan dari keseimbangan energi aliran tunak pada alat penukar kalor adiabatik sbb :

(b) Laju pembuangan kalor pada siklus cascade adalah laju penyerapan kalor pada evaporator dari siklus yang lainnya. Daya masukan ke siklus cascade adalah jumlah daya masukan ke semua kompresor.

(c) COP dari sistem refrigerasi adalah perbandingan dari laju penyerapan kalor dengan daya masukan netto sbb :

Diskusi :Soal ini telah dikerjakan pada Example 11–1 untuk sistem refrigerasi 1 tingkat.Catat bahwa COP sistem refrigerasi naik dari 3,97 menjadi 4,46 sebagai hasil cascading. COP dari sistem dapat dinaikkan lebih tinggi dengan menambah jumlah tingkat cascade.

EXAMPLE 11–4Siklus Refrigerasi 2 Tingkat

dengan sebuah Flash Chamber

Perhatikan suatu sistem refrigerasi kompresi 2 tingkat yang beroperasi antara batas tekanan 0,8 dan 0,14 MPa. Fluida kerja adalah refrigerant R-134a.Refrigeran keluar dari kondensor sebagai cair jenuh & selanjutnya di- throttled ke sebuah flash chamber yang beroperasi pada 0,32 MPa. Sebagian refrigeran berevaporasi selama proses flashing & uap nya dicampur dengan refrigeran yang meninggalkan kompresor tekanan rendah. Campuran selanjutnya dikmpresi ke tekanan kondensor oleh kompresor tekanan tinggi. Cairan di dalam flash chamber di-throttled ke tekanan evaporator & mendinginkan ruangan yang didinginkan.Dengan mengasumsikan refrigeran keluar evaporator sebagai uap jenuh & kedua kompresor adalah isentropik, tentukan : (a) fraksi refrigeran yang berevaporasi saat di-throttled ke flash chamber, (b) jumlah kalor yang dibuang dari ruangan yang didinginkan & kerja kompresor per satuan massa refrigeran yang mengalir melalui kondensor, (c) COP sistem.

FIGURE 11–13Diagram T-s dari siklus refrigerasi kompresi 2 tingkat pada Example 11–4.

Solusi :

Asumsi : 1. Kondisi operasi tunak. 2. Perubahan energi kinetik & potensial diabaikan. 3. Flash chamber bersifat adiabatik.

Sifat-sifat :Entalpi refrigeran pada berbagai kondisi ditentukan dari tabel refrigeran & ditunjukkan pada diagram T-s.

Analisis :Catat bahwa refrigeran keluar kondensor sebagai cair jenuh & masuk kompresor tekanan rendah sebagai uap jenuh.

(a) Fraksi refrigeran yang berevaporasi saat di-throttled ke flash chamber adalah sama dengan kualitas uap pada kondisi 6, yaitu :

(b) Jumlah kalor yang dibuang dari ruang yang didinginkan & masukan kerja kompresor per satuan massa refrigeran yang mengalir melalui kondensor adalah:

dan

Entalpi pada kondisi 9 ditentukan dari keseimbangan pada mixing chamber sbb :

Juga, s9 = 0,9416 kJ/(kg · K). Sehingga entalpi pada kondisi 4 (0,8 MPa, s4 = s9) adalah h4 = 274,48 kJ/kg. Dengan mensubstitusikan nilai-nilai sifat, didapatkan :

(c) COP sistem sebesar :

Diskusi :Soal ini telah dikerjakan pada Example 11–1 untuk sistem refrigerasi 1 tingkat (COP = 3,97) dan pada Example 11–3 untuk sistem refrigerasi cascade 2 tingkat (COP = 4,46). Catat bahwa COP sistem refrigerasi naik cukup besar dibandingkan dengan sistem kompresi 1 tingkat, namun tidak banyak berubah jika dibandingkan dengan sistem kompresi cascade 2 tingkat.

EXAMPLE 11–5Siklus Refrigerasi Gas Ideal Sederhana

Sebuah siklus refrigerasi gas sederhana menggunakan udara sebagai fluida kerja untuk menjaga ruangan yang didinginkan pada 17°C & membuang kalor ke lingkungan sekitar pada 32°C. Rasio tekanan kompresor sebesar 4.

Tentukan : (a) Suhu maksimum & minimum di dalam siklus ini (b) COP (c) Laju refrigerasi jika laju aliran massa sebesar 0,05 kg/s.

LQ

LQ

LQ

FIGURE 11–20Diagram T-s untuk siklus refrigerasi gas ideal pada Example 11–5.

Solusi :

Asumsi : 1. Kondisi operasi tunak. 2. Udara sebagai gas ideal dengan kalor jenis bervariasi. 3. Perubahan energi kinetik & potensial diabaikan.

Analisis :Catat bahwa siklus refrigerasi kompresi gas ideal sehingga proses pada kompresor & turbin adalah isentropik & udara didinginkan ke suhu lingkungan sebelum masuk ke turbin.

(a) Suhu maksimum & minimum di dalam siklus ditentukan dari hubungan isentropik gas ideal untuk proses kompresi & ekspansi.

Dari Tabel A–17E :

Sehingga suhu tertinggi & terendah di dalam siklus berturut-turut sebesar 223 °F dan 97 °F.

(b) COP dari siklus refrigerasi gas ideal sebesar :

Dengan :

Sehingga :

(c) Laju refrigerasi sebesar :

siklus refrigerasi (brief)

Documents

jumlah kalor yg dibuang

jumlah kalor yg disuplai

pompa kalor heat pump

coefficient of performance