BAB 9 TERMO
-
Upload
robbi-persie -
Category
Documents
-
view
82 -
download
18
Transcript of BAB 9 TERMO
BAB 9
PENDINGINAN DAN PENCAIRAN
Pendinginan terkenal karena penggunaannya di AC pada bangunan dan dalam
proses pengobatan, transportasi, dan mengawetkan makanan dan minuman. Hal ini juga
dapat di aplikasi pada industri skala besar, misalnya, dalam pembuatan es dan dehidrasi
gas. Aplikasi dalam industri perminyakan termasuk pemurnian pelumas-minyak, reaksi
suhu rendah, dan pemisahan hidrokarbon yang mudah menguap. Sebuah proses yang
terkait erat adalah pencairan gas memiliki aplikasi komersial yang penting. Tujuan Bab
ini adalah untuk menyajikan sebuah analisis termodinamika pendinginan dan pencairan
proses. Namun, rincian dari desain peralatan dapat dilihat pada buku desain peralatan
khusus. 'Kata pendingin menyiratkan pemeliharaan suhu di bawah rata rata suhu
lingkungan. Hal ini memerlukan penyerapan terus menerus panas pada tingkat suhu
rendah, biasanya dilakukan dengan penguapan cairan dalam proses steady-state. Uap
yang terbentuk dapat kembali ke keadaan cair aslinya untuk dievaporasi ulang dalam
salah satu dari dua cara yang ada. Paling umum, itu hanya dikompresi dan kemudian
dipadatkan. Atau, mungkin diserap oleh cairan dari volatilitas yang rendah, dimana
kemudian diuapkan pada tekanan yang lebih tinggi. Sebelum proses pendinginan
praktis, kita mempertimbangkan Siklus Pendingin Carnot, yang memberikan standar
perbandingan.
9.1. Pendingin Carnot
Dalam proses pendinginan terus menerus, panas yang diserap pada suhu rendah
secara terus menerus ditolak dengan lingkungan pada suhu yang lebih tinggi. Pada
dasarnya, siklus pendinginan adalah kebalikan dari siklus panas-mesin. Panas ditransfer
dari tingkat suhu rendah ke yang lebih tinggi, sesuai dengan hukum kedua, ini
membutuhkan sumber energi dari luar. Yang ideal pendingin, seperti mesin panas ideal
(Bag. 5.2), beroperasi pada siklus Carnot, yang terdiri dalam hal ini dari dua langkah
isotermal di mana panas | Qc | diserap di bawah suhu Tc dan panas | QH | ditolak pada
keadaan semakin tinggi suhu TH, dan dua langkah adiabatik. Siklus ini membutuhkan
penambahan pekerjaan bersih
W ke sistem. Sejak AU dari fluida kerja adalah nol untuk siklus, hukum pertama tertulis:
Ukuran efektivitas kulkas adalah koefisien kinerja w, didefinisikan sebagai:
Persamaan (9.1) dapat dibagi oleh I Qc I:
Kombinasi dengan Persamaan. (5.7) memberikan:
dan Persamaan. (9.2) menjadi:
Persamaan ini hanya berlaku untuk operasi kulkas pada siklus Carnot, dan memberikan
nilai maksimum yang mungkin dari w untuk setiap kulkas operasi antara nilai-nilai
tertentu TH dan Tc. Ini menunjukkan dengan jelas bahwa efek pendinginan per unit
kerja menurun karena suhu penyerapan panas berkurang Tc dan karena suhu TH
penolakan panas meningkat. Untuk pendinginan pada tingkat suhu 278,15 K (5 ° C)
dalam lingkungan di 303,15 K (30 "C), nilai w untuk kulkas Carnot adalah:
9.2. Siklus Kompresi Uap
Siklus refrigerasi kompresi uap-diwakili dalam Gambar. 9.1. Tampil pada
diagram TS adalah empat langkah proses. Suatu cairan menguap pada tekanan konstan
(line 1 + 2) menyediakan sarana untuk penyerapan panas pada suhu konstan rendah. Uap
yang dihasilkan dikompresi dengan tekanan yang lebih tinggi, dan kemudian
didinginkan dan dikondensasikan dengan penolakan panas pada tingkat suhu yang lebih
tinggi. Cair dari kondensor kembali ke tekanan aslinya oleh proses ekspansi. Pada
prinsipnya, hal ini dapat dilakukan dalam expander yang bekerja diperoleh, tetapi untuk
alasan praktis dilakukan dengan throttling melalui katup terbuka sebagian. Tekanan
penurunan ini hasil proses ireversibel dari gesekan cairan dalam katup. Seperti
ditunjukkan dalam Sec. 7.1, proses throttling terjadi di enthalpy konstan. Dalam
Gambar. 9.1 baris 4-t 1 merupakan proses throttling. Garis putus-putus 2 + 3 'adalah
jalan isentropik kompresi (Gambar 7.6). Jalur 2 - + 3, mewakili proses kompresi
sebenarnya, lereng ke arah peningkatan entropi, mencerminkan irreversibilities melekat.
Atas dasar satu satuan massa fluida, persamaan untuk panas yang diserap dalam
evaporator dan panas yang dibuang di kondensor adalah
Persamaan ini mengikuti dari Persamaan. (2.32) ketika perubahan kecil dalam potensial
dan energi kinetik diabaikan. Karya kompresi hanya:
dan oleh Persamaan. (9.2), koefisien kinerja adalah:
Untuk merancang evaporator, kompresor, kondensor, dan peralatan bantu seseorang
harus mengetahui tingkat sirkulasi refrigerant m. Hal ini ditentukan dari tingkat
penyerapan panas di menguap? oleh persamaan
Siklus-kompresi uap Gambar. 9.1 ditunjukkan pada P H diagram pada Gambar. 9.2.
Diagram tersebut lebih umum digunakan dalam deskripsi proses pendinginan dari
diagram TS, karena mereka menunjukkan secara langsung entalpi yang diperlukan.
Meskipun penguapan dan proses kondensasi yang diwakili oleh jalan-tekanan konstan,
penurunan tekanan kecil memang terjadi karena gesekan fluida.
Untuk nilai yang diberikan Tc dan TH, nilai tertinggi dari w dicapai untuk Carnotcycle
pendingin. Nilai-nilai yang lebih rendah untuk hasil siklus kompresi uap dari ekspansi
ireversibel pada katup throttle dan kompresi ireversibel. Contoh berikut memberikan
indikasi nilai-nilai khas untuk koefisien kinerja.
9.3. Pemilihan Pendingin
Seperti ditunjukkan dalam Sec. 5.2, efisiensi mesin panas Carnot adalah
independen dari media kerja mesin. Demikian pula, koefisien kinerja kulkas Carnot
adalah:
independen refrigeran. Namun, irreversibilities melekat dalam siklus-kompresi uap
menyebabkan koefisien kinerja kulkas praktis untuk tergantung sampai batas tertentu
pada refrigeran. Namun demikian, karakteristik seperti toksisitas, mudah terbakar, biaya,
sifat korosi, dan tekanan uap dalam kaitannya dengan suhu yang lebih penting dalam
pemilihan refrigerant. Jadi udara yang tidak dapat bocor ke dalam sistem pendingin,
tekanan uap refrigeran pada suhu evaporator harus lebih besar dari tekanan atmosfer. Di
sisi lain, tekanan uap pada suhu kondensor tidak boleh terlalu tinggi, karena biaya awal
dan biaya operasi peralatan tekanan tinggi. Kedua persyaratan membatasi pilihan
refrigerant relatif sedikit cairan. Pemilihan akhir kemudian tergantung pada karakteristik
lain yang disebutkan.
Amonia, metil klorida, karbon dioksida, propana dan hidrokarbon lain dapat
berfungsi sebagai refrigeran. Hidrokarbon terhalogenasi mulai umum digunakan sebagai
refrigeran pada 1930-an. Paling umum adalah sepenuhnya terhalogenasi
chlorofluorocarbon, CC13F (triklorofluorometana atau CFC-1 I) ~ nd CC12F2
(diklorodifluorometana atau CFC-12). Molekul yang stabil bertahan di atmosfer selama
ratusan tahun, menyebabkan penipisan ozon yang parah. Produksi mereka telah sebagian
besar berakhir. Penggantian adalah hidroklorofluorokarbon tertentu, kurang dari
sepenuhnya hidrokarbon terhalogenasi yang menyebabkan relatif sedikit penipisan ozon,
dan hidrofluorokarbon, yang tidak mengandung klorin dan tidak menyebabkan
penipisan ozon. Contohnya adalah CHC12CF3 (dichlorotrifluoroethane atau HCFC-
123), CF3CH2F (tetrafluoroetana atau HFC-134a), dan CHF2CF3 (pentafluoro-etana
atau HFC-125). Sebuah diagram pressurelenthalpy untuk tetrafluoroetana (HFC-134a)
ditunjukkan pada Gambar. G.2; Tabel 9.1 menyediakan data saturasi untuk refrigeran
yang sama. Tabel dan diagram untuk berbagai refrigeran lain yang siap a ~ ailabl
Batas ditempatkan pada tekanan operasi dari evaporator dan kondensor dari
sistem pendingin juga membatasi perbedaan suhu TH - TC dimana siklus-kompresi uap
sederhana dapat beroperasi. Dengan TH ditetapkan oleh suhu lingkungan, batas yang
lebih rendah ditempatkan pada tingkat suhu pendingin. Hal ini dapat diatasi dengan
pengoperasian dua atau lebih siklus pendinginan menggunakan refrigeran yang berbeda
dalam kaskade. Sebuah kaskade dua tahap ditunjukkan pada Gambar. 9.3.
Di sini, dua siklus beroperasi sehingga panas yang diserap dalam interchanger
oleh refrigeran dari siklus-suhu yang lebih tinggi 2 berfungsi untuk memadatkan
refrigeran dalam siklus-suhu yang lebih rendah 1. Kedua refrigeran begitu dipilih bahwa
pada tingkat suhu yang diperlukan setiap siklus beroperasi pada tekanan yang wajar.
Sebagai contoh, asumsikan suhu operasi berikut (Gambar 9.3):
Jika tetrafluoroetana (HFC-134a) adalah refrigeran pada siklus 2, maka asupan dan
tekanan debit untuk kompresor sekitar 1,45 bar dan 7.72 bar, dan rasio tekanan sekitar
5.32. Jika propilena adalah refrigeran pada siklus 1, tekanan ini sekitar 1,1 bar dan 4 bar,
dan rasio tekanan sekitar 3.64. Ini semua adalah nilai-nilai yang wajar. Di sisi lain,
untuk siklus operasi tunggal antara 227 K dan 303 K dengan HFC-134a sebagai
refrigeran, tekanan asupan ke kondensor adalah sekitar 0,4 bar, jauh di bawah tekanan
atmosfer. Selain itu, untuk tekanan discharge dari sekitar 7.72 bar rasio tekanan 19,3,
terlalu tinggi nilai untuk kompresor satu tahap.
9.4. Pendinginan Absorpsi
Dalam refrigerasi kompresi uap karya kompresi biasanya diberikan oleh motor
listrik. Tetapi sumber energi listrik untuk motor mungkin mesin panas (pembangkit
listrik pusat) digunakan untuk menggerakkan generator. Dengan demikian pekerjaan
untuk pendinginan berasal akhirnya dari panas pada tingkat suhu tinggi. Hal ini
menunjukkan penggunaan langsung panas sebagai sumber energi untuk pendinginan.
Mesin penyerapan pendingin didasarkan pada gagasan ini. Pekerjaan yang diperlukan
oleh kulkas Carnot menyerap panas pada suhu Tc dan menolak panas pada suhu
lingkungan, Ts sini ditunjuk, mengikuti dari Pers. (9.2) dan (9.3):
di mana saya Qc saya adalah panas yang diterima. Jika sumber panas yang tersedia pada
suhu di atas bahwa dari lingkungan, katakanlah di TH, maka pekerjaan dapat diperoleh
dari operasi mesin Carnot antara temperatur ini dan lingkungan suhu Ts. Panas yang
dibutuhkan saya QHI untuk produksi karya IWI ditemukan dari Persamaan. (5.8):
Substitusi (W (memberikan:
Nilai saya QH11 1 Qc Saya diberikan oleh persamaan ini tentu saja minimal , karena
siklus Carnot tidak dapat dicapai dalam praktek .
Sebuah diagram skematik untuk kulkas penyerapan tipikal ditunjukkan pada
Gambar . 9.4 . Perbedaan penting antara uap - kompresi dan kulkas penyerapan dalam
cara berbeda yang digunakan untuk kompresi . Bagian dari unit penyerapan di sebelah
kanan garis putus-putus pada Gambar . 9.4 adalah sama seperti dalam lemari es -
kompresi uap , tetapi bagian ke kiri menyelesaikan kompresi dengan apa jumlah ke
mesin panas . Refrigerant sebagai uap dari evaporator diserap dalam cairan pelarut yang
relatif nonvolatile pada tekanan evaporator dan pada suhu yang relatif rendah . Panas
yang dilepaskan dalam proses tersebut akan dibuang ke lingkungan di Ts . Ini adalah
tingkat suhu yang lebih rendah dari mesin panas . Solusi cair dari absorber , yang
mengandung konsentrasi yang relatif tinggi refrigeran , lolos ke pompa , yang
meningkatkan tekanan cairan yang dari kondensor . Panas dari tinggi
Sumber suhu pada TH ditransfer ke larutan cair terkompresi , meningkatkan
suhu dan penguapan refrigeran dari pelarut . Uap lolos dari regenerator ke kondensor ,
dan pelarut , yang kini mengandung konsentrasi yang relatif rendah refrigeran , kembali
ke absorber . Penukar panas menghemat energi dan juga menyesuaikan suhu aliran
terhadap nilai-nilai yang tepat . Uap bertekanan rendah adalah sumber biasa panas untuk
regenerator .
Yang paling umum digunakan sistem penyerapan - pendingin beroperasi dengan
air sebagai refrigeran dan larutan lithium bromide sebagai penyerap . Sistem ini jelas
terbatas pada pendinginan suhu di atas titik beku air . Hal ini diperlakukan secara rinci
oleh Perry dan re en . ^ Untuk suhu rendah amoniak dapat berfungsi sebagai pendingin
dengan air sebagai pelarut . Sistem alternatif menggunakan metanol sebagai refrigeran
dan polyglycolethers sebagai absorben .
Pertimbangkan pendinginan pada tingkat suhu [ Tc = 263,15 K ( -10 ° C ) ]
dengan sumber panas kondensasi uap pada tekanan atmosfer [ TH = 373,15 K ( Loo °
C ) ] . Untuk suhu lingkungan dari [ Ts = 303,15 K ( 30 ° C ) ] , kemungkinan nilai
minimum 1 QH 111 Qc 1 ditemukan dari Persamaan . ( 9.6 ) :
Untuk kulkas penyerapan yang sebenarnya , nilainya akan berada di urutan tiga kali
hasil ini .
9.5. Pompa Panas
Pompa panas, mesin panas terbalik, adalah alat untuk pemanasan rumah dan
bangunan komersial selama musim dingin dan pendinginan mereka selama musim
panas. Di musim dingin itu beroperasi sehingga untuk menyerap panas dari lingkungan
dan membuang panas ke dalam gedung. Refrigeran menguap dalam gulungan
ditempatkan di bawah tanah atau di udara luar, kompresi uap diikuti oleh kondensasi,
panas dipindahkan ke udara atau air, yang digunakan untuk memanaskan bangunan.
Kompresi harus pada tekanan sehingga temperatur kondensasi refrigeran lebih tinggi
dari tingkat suhu yang diperlukan bangunan. Biaya operasi instalasi adalah biaya tenaga
listrik untuk menjalankan kompresor. Jika unit memiliki koefisien kinerja, saya Qc I / W
= 4, panas yang tersedia untuk memanaskan rumah saya QH saya sama dengan lima kali
masukan energi ke kompresor. Setiap keuntungan ekonomi dari pompa panas sebagai
perangkat pemanas tergantung pada biaya listrik dibandingkan dengan biaya bahan
bakar seperti minyak dan gas alam.
Pompa panas juga berfungsi untuk AC selama musim panas. Aliran refrigerant
hanya terbalik, dan panas yang diserap dari gedung dan ditolak melalui kumparan
bawah tanah atau ke udara luar.
9.6. Proses Pencairan
Gas cair yang umum digunakan untuk berbagai keperluan. Sebagai contoh,
propana cair dalam silinder berfungsi sebagai bahan bakar dalam negeri, oksigen cair
dibawa 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 mereka dengan fraksinasi. Hasil
pencairan ketika gas didinginkan sampai suhu di wilayah dua tahap. Hal ini dapat
dicapai dengan beberapa cara:
1. Dengan pertukaran panas pada tekanan konstan.
2. Dengan proses ekspansi yang bekerja diperoleh.
3. Dengan proses throttling.
Metode pertama memerlukan heat sink pada suhu lebih rendah dari yang gas
didinginkan, dan yang paling umum digunakan untuk precool gas sebelum pencairan
sebesar dua metode lainnya. Kulkas eksternal diperlukan untuk suhu gas bawah dari
lingkungan.
Tiga metode diilustrasikan pada Gambar. 9.5. Proses-tekanan konstan (1)
mendekati wilayah dua tahap (dan pencairan) paling dekat untuk penurunan diberikan
dalam suhu. Proses throttling (3) tidak mengakibatkan pencairan kecuali keadaan awal
adalah pada tekanan yang cukup tinggi dan suhu yang cukup rendah untuk proses
konstan enthalpy untuk memotong ke wilayah dua tahap. Ini tidak terjadi ketika negara
awal adalah A. Jika keadaan awal adalah A ', di mana suhu adalah sama tetapi tekanan
lebih tinggi dari pada A, maka isenthalpic
ekspansi dengan proses (3 ') tidak mengakibatkan pembentukan cairan.
Perubahan negara dari A ke A 'paling mudah dilakukan oleh 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 (untuk mengingat
suhu) daripada throttling. Sebagai contoh, kelanjutan dari proses (2) dari keadaan awal
A akhirnya mengakibatkan pencairan
Proses throttling (3) adalah yang umum digunakan dalam skala kecil tanaman
pencairan komersial. Suhu gas tentunya harus penurunan selama ekspansi. Ini memang
apa yang terjadi dengan sebagian besar gas pada kondisi biasa suhu dan tekanan.
Pengecualian adalah hidrogen dan helium, yang meningkatkan suhu pada throttling
kecuali suhu awal di bawah sekitar 100 K untuk hidrogen dan 20 K untuk helium.
Pencairan gas ini dengan throttling membutuhkan reduksi awal suhu ke nilai yang lebih
rendah dengan metode 1 atau 2.
Seperti telah disebutkan, suhu harus cukup rendah dan tekanan cukup tinggi
sebelum throttling bahwa pemotongan jalan konstan enthalpy ke daerah dua fase.
Sebagai contoh, mengacu pada diagram TS untuk air6 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 arus
balik pertukaran panas dengan sebagian dari gas yang tidak mencairkan dalam proses
throttling.
Proses pencairan Linde, yang hanya tergantung pada ekspansi throttling,
ditunjukkan pada Gambar. 9.6. Setelah kompresi, gas precooled dengan suhu
lingkungan. Ini mungkin lebih jauh didinginkan oleh pendingin. Semakin rendah suhu
gas memasuki katup throttle, semakin besar fraksi gas yang dicairkan. Sebagai contoh,
refrigeran menguap di dingin di 233,15 K (-40 ° C) memberikan suhu yang lebih rendah
pada katup daripada jika air pada 294,15 K (21 ° C) adalah media pendingin.
Sebuah proses pencairan yang lebih efisien akan menggantikan katup throttle
oleh expander, tapi operasi alat tersebut ke daerah dua fase tidak praktis. Namun, proses
Claude, ditunjukkan pada Gambar. 9.7, yang sebagian didasarkan pada ide ini. Gas pada
suhu antara diekstrak dari sistem pertukaran panas dan melewati sebuah expander dari
yang menguras sebagai uap jenuh atau sedikit superheated. Sisa gas selanjutnya
didinginkan dan mencekik melalui katup untuk menghasilkan pencairan seperti dalam
proses Linde. The unliquefied porsi, yang jenuh uap, bercampur dengan knalpot
expander dan kembali untuk daur ulang melalui sistem penukar panas.
Keseimbangan energi, Persamaan. (2.30), diterapkan pada bagian dari proses
berbaring di sebelah kanan hasil panen garis vertikal putus-putus:
Jika expander beroperasi adiabatik, woUats diberikan oleh Persamaan. (7.13), i s
Selain itu, dengan keseimbangan massa, mls = m4 - m9. Keseimbangan energi,
setelah pembagian dengan m4, karena itu menjadi:
Dengan definisi, z - m9/m4 dan x = mI2/m4, solusi dari persamaan sebelumnya
untuk menghasilkan z
Dalam persamaan ini z adalah bagian dari aliran masuk ke dalam sistem penukar
panas yang dicairkan, dan x adalah fraksi aliran ini yang ditarik off antara penukar panas
dan melewati expander. Ini jumlah yang terakhir (x) adalah variabel desain, dan harus
ditentukan sebelum Persamaan. (9.7) dapat diselesaikan untuk z. Perhatikan bahwa hasil
proses Linde bila x = 0, dan dalam hal ini Persamaan. (9.7) tereduksi menjadi:
Dengan demikian proses Linde adalah kasus membatasi proses Claude, diperoleh
ketika tidak ada aliran gas bertekanan tinggi dikirim ke expander. Persamaan (9.7) dan
(9.8) mengira bahwa tidak ada panas mengalir ke dalam sistem dari lingkungan. Ini
tidak pernah bisa sepenuhnya benar, dan kebocoran panas mungkin menjadi signifikan
ketika suhu sangat rendah, bahkan dengan peralatan yang terisolasi.
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum wr.wb
Alhamdulillah puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan segala rahmat dan petunjuk-Nya sehingga penyusun dapat
menyelesaikan tugas Termodinamika II ini dengan baik. Tak lupa sholawat dan
salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW, keluarga,
sahabat dan seluruh pengikutnya sampai akhir zaman.
Translet Termodinamika pada Bab 9 Pendinginan dan Pencarian,
diharapkan dapat dipahami dengan baik dan memberikan kemampuan penalaran
dan penerapan teori-teori terhadap Termodinamika.
Penyusun menyadari bahwa dalam penyusunan tugas
Termodinamika ini banyak terdapat kekurangan dan kesalahan, untuk itu penulis
mengharapkan saran dan kritik membangun demi kesempurnaan laporan ini. Dan
semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Wassalamualaikum wr.wb
Palembang, September 2013
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ……………………………………………………………………………
Daftar Isi ………………………………………………………………………………….
BAB 1
Pendahuluan ………………………………………………………………………………
1.1 Latar Belakang ………………………………………………………………….
1.1 Tujuan …………………………………………………………………………..
1.2 Manfaat …………………………………………………………………………
BAB 9
Pendinginan dan Pencairan ……………………………………………………………….
9.1. Pendingin Carnot ………………………………………………………………..
9.2. Siklus Kompresi Uap ……………………………………………………………
9.3. Pemilihan Pendingin …………………………………………………………….
9.4. Pendinginan Absorpsi …………………………………………………………...
9.5. Pompa Panas …………………………………………………………………….
9.6. Proses Pencairan …………………………………………………………...........
BAB 3
Kesimpulan ……………………………………………………………………………….
Daftar Pustaka …………………………………………………………………………….
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pendingin dan Pencairan bagian dari ilmu Termodinamki