MINGGU IVMINGGU IV

PENCAIRAN GAS SELAIN PENCAIRAN GAS SELAIN NEON, HIDROGNEON, HIDROGEEN DAN N DAN

HELIUMHELIUM

Sistem Linde Hampson SederhanaSistem Linde Hampson Sederhana

DIAGRAM TS UNTUK PENCAIRAN GAS

Proses Linde Hampson SederhanaProses Linde Hampson Sederhana

11 2 : 2 : tekanan atekanan adiabatikdiabatik Masuk ke HE pada tekanan konstanMasuk ke HE pada tekanan konstan Dari 3 Dari 3 4, gas berekspansi melalui Joule 4, gas berekspansi melalui Joule

thompson, p1 = p4thompson, p1 = p4 Pada titik 4, Pada titik 4, gas jenuhgas jenuh kembali ke kompresor; kembali ke kompresor;

cairan cairan gas akan gas akan menuju penampunganmenuju penampungan Yield yang dihasilkan adalah: Yield yang dihasilkan adalah:

m

m

hh

hhy

f

f1

21

FOM =(FOM =(kerjakerja Minimum teoritis yangdiperlukan Minimum teoritis yangdiperlukan dibagi dengan kerja sebenarnyadibagi dengan kerja sebenarnya yg. yg.diperlukandiperlukan ) )

f

ff

hh

hh

hhssT

hhssTFOM

1

21

21211

111 .)()(

)()(

)()(21211

hhssTm

W

)()(.444

hhmhsTmQgg

)(21

hhm

1 2

1 1 2 1 2( ) ( )

Qh h QmCOP

T s s h hW Wm

Th=temperatur tinggi

Tc=temperatur rendahi = ideal

)( chCi TTTWQ

COPCOP

FOM =

= Tc/ Th - Tc;

Sistem Pendinginan dan Pencairan Sistem Pendinginan dan Pencairan dari Linde Hampsondari Linde Hampson

Sistem Refrigerator Sistem Refrigerator

Refrigeran menarik panas Refrigeran menarik panas dari ruangan dari ruangan , kemudian , kemudian gas gas diteruskan ke HE untuk dipanaskan dan diteruskan ke diteruskan ke HE untuk dipanaskan dan diteruskan ke kompresor.kompresor.Di kompresor, refrigeran ditekan pada kondisi isotDi kompresor, refrigeran ditekan pada kondisi isoteermal rmal dan dan gasgas dikeluarkan melalui HE dan diteruskan ke dikeluarkan melalui HE dan diteruskan ke expansion valve dan terjadi ekspansi supaya temperatur expansion valve dan terjadi ekspansi supaya temperatur refrigeran turun dan selanjutnya dapat menarik panas refrigeran turun dan selanjutnya dapat menarik panas dari ruangan.dari ruangan.

Sistem Pencairan

Gas dikompresi secara isotermal, kemudian dialirkan ke HE supaya temperaturnya turun pada tekanan tetap. Selanjutnya diekspansi melalui expansion valve yang menghasilkan gas jenuh. Bagian yang mencair ditampung dan bagian yang belum mencair dikembalikan ke HE untuk dipanaskan dan diteruskan ke kompresor

Sistem RefrigerasiSistem Refrigerasi Sistem PencairanSistem Pencairan

Kerja Kompresor :Kerja Kompresor :

)()(21211

hhssTm

W

Laju pendinginan jika tak ada kebocoran :

)()(.2144

hhmhhTmQg

SEBAGAI REFRIGERATORSEBAGAI REFRIGERATOR

SEBAGAI PENCAIRANSEBAGAI PENCAIRAN

1. Fraksi Pencairan1. Fraksi Pencairan

)()(

)(

21211

21

hhssT

hhCOP

inputworknet

effectionrefrigerat

mW

mQ

COP

m

my f (1)

Energi balance di HE Energi balance di HE ::(2)(2)

Dari (1) dan (2) :Dari (1) dan (2) :

hf = spesific enthalpy dari cairan yang dihasilkanhf = spesific enthalpy dari cairan yang dihasilkan

Performancy Pencairan = FOMPerformancy Pencairan = FOM FOM = kerja komp per unit massa gas yang FOM = kerja komp per unit massa gas yang dicairkan dalam kondisi idealdicairkan dalam kondisi ideal

kerja komp per unit massa gas yang kerja komp per unit massa gas yang dicairkan dalam kondisi nyatadicairkan dalam kondisi nyata

fff hmhmmhm

12 )(.

)(

)(

1

21

fhh

hhy

Dimana :Dimana :

)(

)(

1

21

fhh

hhy

)()(

111 ffi hhssTm

W (3)

)()(21211

hhssTm

W

y

mmmym

ff

.

)()(. 21211

hhssTmy

W

f

yxhhssTm

W

f

)()(21211

)(

)()()(

1

21

21211

ffhh

hhxhhssT

m

W

(4)

ContohContohSistem pencairan Linde Sistem pencairan Linde sederhana bekerja antara 290 K sederhana bekerja antara 290 K dan 71,9 K dengan menggunakan dan 71,9 K dengan menggunakan gas nitrogen sebgas nitrogen sebaagai fluida kerja. gai fluida kerja. Gas secara isotermal dan Gas secara isotermal dan reversibel dikompresi sampai reversibel dikompresi sampai 10,1 Mpa. Tekanan jenuh cairan 10,1 Mpa. Tekanan jenuh cairan nitrogen pada 71,9 K adalah 0,05 nitrogen pada 71,9 K adalah 0,05 MPa. MPa. Asumsi menggunakan HE ideal Asumsi menggunakan HE ideal dan tak ada kebocoran panas dan tak ada kebocoran panas pada sistem. Hitunglah yield pada sistem. Hitunglah yield cairan dan FOM untuk sistem cairan dan FOM untuk sistem ini!ini!

DIKETAHUI :DIKETAHUI :

h1 (0,05 MPa, 290 K) = 452 KJ/kgs1 (0,05 MPa, 290 K) = 4,59 KJ/kg Kh2 (10,1 MPa, 290 K) = 432 KJ/kgs2 (10,1 MPa, 290 K) = 2.95 KJ/kg Khf (0,05 MPa, 71,9 K) = 18 KJ/kgsf (0,05 MPa, 71,9 K) = 0,27 K/kg KData di atas berasal dari diagram T-s untuk Nitrogen

solusisolusi

Perhatikan gambar Linde sederhana !!Perhatikan gambar Linde sederhana !!

046,018453

432452

)(

)(

1

21

fhh

hhy

083,018452

432452.

)432452()95,259,4(290

)18452()27,059,4(290

.)()(

)()(

1

21

21211

111

FOM

hh

hh

hhssT

hhssTFOM

f

ff

Jika sistem tersebut di atas ditambahkan refrigerator, Jika sistem tersebut di atas ditambahkan refrigerator,

hitunglah efek refrigerasi, COP, dan FOM sistem!hitunglah efek refrigerasi, COP, dan FOM sistem! Efek RefrigerasiEfek Refrigerasi

COPCOP

kgKJhhm

Q/20432452)(

21

W

QCOP )()(

21211hhssT

m

W

0439,0)432452()95,259,4(290

20

COP

DIMANA

Untuk mencari FOM, kita harus Untuk mencari FOM, kita harus mencari dahulu COPmencari dahulu COPii

3295,09,71290

9,71

CH

C

i TT

TCOP

1332,03296,0

0439,0 i

COP

COPFOM

Sistem Linde Hampson Berpendingin Sistem Linde Hampson Berpendingin Awal (precooler JT cycle)Awal (precooler JT cycle)

Ratio Laju Alir RefrigeranRatio Laju Alir Refrigeran

YieldYield

m

mr r

mr adalah laju alir refrigeran

inanprependinglindesimple

rhh

hh

hh

hh

m

my

fc

da

f

f

.)(

)(

1

21

Dari neraca energi di Linde dan refrigerator Dari neraca energi di Linde dan refrigerator (antara a dan d)(antara a dan d)

ffar

fdr hmhmhmmhmhm

12

)(

Dimana :

m

mr r

Yield maksimum dari sistem pendingin awal adalah :

fb

b

hh

hhy

3

max

Kerja KompresiKerja Kompresi

Kerja MencairkanKerja Mencairkan

FOMFOM

)()()(21211 da

hhrhhssTm

W

y

mW

m

W

f

ymW

hhrhhssTFOM

hh

hh

hhssT

hhssTFOM

abff

f

ff

/1.

)()()(

.)()(

)()(

111

1

21

21211

111

COP (Coef of Performance)COP (Coef of Performance)

isotermalpanasperp

irefrigerasefek

W

QCOP

.

)()(21211

hhssTm

W

)(ChCf

TTT

WQ

COP

COPFOM

Dengan: perpindahan panas isotermal.

Tc = temperatur rendah pada isotermalTh = temperatur yang tinggi pada isotermal

Efek refrigerasi : )(21

hhm

Q

ContohContoh

Tentukan kebutuhan kerja ideal untuk pencairan Tentukan kebutuhan kerja ideal untuk pencairan nitrogen dengan catatan sbb :nitrogen dengan catatan sbb :

h1 = 2870 Cal/ mol pd 1 atm dan 70oFh1 = 2870 Cal/ mol pd 1 atm dan 70oFhf = 0 Cal/ mol pd 1 atm dan cairan jenuhhf = 0 Cal/ mol pd 1 atm dan cairan jenuhs1 = 26,7 Cal/mol.K pd 1 atm dan 70oFs1 = 26,7 Cal/mol.K pd 1 atm dan 70oFsf = 0 Cal/ mol.K pd 1 atm dan cairan jenuhsf = 0 Cal/ mol.K pd 1 atm dan cairan jenuh

JawabJawab

Kerja kompresor per unit massa :Kerja kompresor per unit massa :

Dalam kondisi ideal, gas 100% dicairkan Dalam kondisi ideal, gas 100% dicairkan berarti :berarti :

)()(111 ff

i hhssTmW

f

f

mmataum

W

m

W

molBTURm

Wi 8985)02870(8,1)07,26.()46070(

lbmBTU321

28

8985

ContohContoh

Tentukan yield cairan, kerja per unit massa cairan, dan kerja per Tentukan yield cairan, kerja per unit massa cairan, dan kerja per unit massa yang dikompres untuk sistem Linde Hapson unit massa yang dikompres untuk sistem Linde Hapson sederhana dan untuk sistem Linde hampson dengan pendinginan sederhana dan untuk sistem Linde hampson dengan pendinginan awal menggunakan nitrogen sebagai fluida kerja dan Freon-12 awal menggunakan nitrogen sebagai fluida kerja dan Freon-12 sebagai refrigeran. Kondisi nitrogen dalam sistem operasi antara sebagai refrigeran. Kondisi nitrogen dalam sistem operasi antara 1 atm dan 70 F, dan 200 atm untuk titik 2. Keadaan titik-titik 1 atm dan 70 F, dan 200 atm untuk titik 2. Keadaan titik-titik untuk refrigeran dalam sistem adalah sebagai berikut:untuk refrigeran dalam sistem adalah sebagai berikut:

ha = 87,926 BTU/ lbm pada 1 atm dan 70 Fha = 87,926 BTU/ lbm pada 1 atm dan 70 Fhb = 104, 086 BTU/ lbm pada 5,77 atm dan 385 Fhb = 104, 086 BTU/ lbm pada 5,77 atm dan 385 Fhc = 24,050 BTU/lbm pada 5,77 atm dan 70 Fhc = 24,050 BTU/lbm pada 5,77 atm dan 70 FTitik d dalam kondisi 1 atm dan -21,62 F dalam wilayah dua fasa Titik d dalam kondisi 1 atm dan -21,62 F dalam wilayah dua fasa dan r = 0,1dan r = 0,1

Jawaban Sistem Linde Hampson Jawaban Sistem Linde Hampson SederhanaSederhana

Dari diagram T-s Nitrogen, kita dapat Dari diagram T-s Nitrogen, kita dapat menemukan nilai-nilai berikut :menemukan nilai-nilai berikut :

h1 = 2870 cal/mol = 184,4 BTU/lbm pd 1 atm dan 70 Fh1 = 2870 cal/mol = 184,4 BTU/lbm pd 1 atm dan 70 F

h2 = 168,5 cal/mol = 168,5 BTU/lbm pd 200 atm dan 70 Fh2 = 168,5 cal/mol = 168,5 BTU/lbm pd 200 atm dan 70 F

hf = 0 cal/mol = 0 BTU/lbm pd 1 atm dan cair jenuhhf = 0 cal/mol = 0 BTU/lbm pd 1 atm dan cair jenuh

s1 = 26,7 cal/mol K = 0,954 BTU/ lbm R pd 1 atm dan 70 Fs1 = 26,7 cal/mol K = 0,954 BTU/ lbm R pd 1 atm dan 70 F

s2 = 15,4 cal/mol K = 0,550 BTU/lbm R pd 200 atm dan 70 Fs2 = 15,4 cal/mol K = 0,550 BTU/lbm R pd 200 atm dan 70 F

Yield CairanYield Cairan

Kerja yang dibutuhkan per unit massa yang Kerja yang dibutuhkan per unit massa yang dikompresi :dikompresi :

0872,002870

26202870

)(

)(

1

21

fhh

hhy

ditekanyanglbmBTUm

W

m

W

hhssTm

W

/2,198

)5,1684,184()550,0954,0)(530(

)()(21211

Kerja per unit massa yang dicairkanKerja per unit massa yang dicairkan

Dari contoh di atas : kerja ideal = 321 Dari contoh di atas : kerja ideal = 321 BTU/lbmBTU/lbm

FOM = FOM =

dicairkanyanglbmBTUm

W

f

/22730872,0

2,198

1413,02273

321

f

f

i

mW

m

W

FOM

Jawaban Sistem Linde Hampson Jawaban Sistem Linde Hampson PrecoolingPrecooling

1218,004,184

050,24926,871,0

02870

26202870

y

Dengan precooling terlihat yield naik 40%

ditekanyanglbmBTUm

W

m

W

/8,199

)926,87086,104(1,0)5,1684,184()550,0954,0)(530(

dicairkanyanglbmBTUm

W

f

/16381218,0

8,199

Total kerja yang dibutuhkan

Kerja per unit massa yang dicairkan

FOM :FOM :

Sistem ini 40% lebih baik daripada sistem Sistem ini 40% lebih baik daripada sistem Linde Hampson sederhanaLinde Hampson sederhana

1960,01638

321

f

f

i

m

W

m

W

FOM

Linde Dual PressureLinde Dual Pressure

Energy BalanceEnergy Balance

Energy Balance sekitar HE, JT Valve dan Energy Balance sekitar HE, JT Valve dan reaktor cairan :reaktor cairan :

(1)(1)

(2)(2)

(3)(3)

ffiif hmhmhmmmhm

213

)(

)()()(13112

hhmhhmhhmffi

m

my

m

mi

f

i

Diperoleh :Diperoleh :

)()()(13112

hhhhyhhif

ffhh

hhi

hh

hhy

1

21

1

31

atau

fraksi gas cair

ProsesProses

ffhh

hhi

hh

hhy

1

21

1

31

m

mi

1.Gas ditekan dengan dua buah kompressor.2.Gas bertekanan tinggi mesuk ke HE kemudian diexpansi melalui JT valve tekanan yang dihasilkan adalah tekanan intemediet (titik 5).3.Di dalam reaktor (1), uap dan cairan jenuh dipisahkan, lalu uap dikmbalikan ke HE dan kompresor ke titik 2.4.Cairan jenuh dari reaktor (1) diexpansikan lagi melalui JT Valve melalui tekanan rendah (titik 7).5.Hukum Termo 1 dari aliran tunak yang melalui HE, dua reaktor, dan 2 JT Valve dapat ditentukan yield cairan dari Linde 2 tekanan, yaitu :

(terlihat yield semakin berkurang)i = fraksi laju alir gas yang melewati tekanan intermediet.

Rasio laju alir gas =

6. Dimana mi adalah laju alir gas yang melalui tekanan intermediet.Jumlah kerja yang diperlukan oleh massa gas yang ditekan oleh dua kompresor tersebut adalah :

)]()([)()(2121131311

hhssTihhssTm

W

Terlihat bahwa kerja yang dibutuhkan berkurang dari sistem sederhana.

7. Biasanya i = 0,8, sehingga pengurangan kerja yang dibutuhkan lebih kecil dan juga pengurangan yield cairan. Dengan demikian kerja per unit massa untuk pencairan gas juga akan lebih kecil dari sistem sederhana.

RINGKASANRINGKASAN