Post on 01-Apr-2019
1
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Thermodynamicsof Flow Processes
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
1st Law of Thermodynamics:
zguHWQ S Δ+Δ
+Δ=+2
2
Or
gdzududHdWdQ S ++=+
2
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Compressor
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
• Fan : untuk beda tekanan yang kecil ΔP ~ 0,5 psi
• Centrifugal blower: untuk kapasitas besartetapi ΔP ≤ 50 psi
• Reciprocating compressor bisa mencapai ΔP ~ 4000 atm dan daya dari 1 hp hingga 3000 hp
• Centrifugal compresor dengan kapasitas danbeda tekanan yang sangat bervariasi
Berbagai Kompresor
3
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
P2 > P1 and T2 > T1
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
4
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
5
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
6
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Common Assumptions:
•Adiabatic
zguHWQ S Δ+Δ
+Δ=+2
2
• Negligible change in kinetics and potential energy
zguHWQ S Δ+Δ
+Δ=+2
2
7
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
HWS Δ=
• Untuk menghitung ΔH perlu informasiP2 (ditentukan) dan T2 (belum tahu)
• Asumsikan isentropic (adiabatic reversible)
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
dHdH = T = T dSdS + V + V dPdP
dHdH = V = V dPdP
Gas ideal pada operasi adiabatic dan reversible:
Constant=γPV
γγ11VPPV =
8
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
1
1
1 VPPV
γ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
dPPPVdH γγ11
11
−=
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−==Δ
−− −−
∫ 1111
11
1
21112
1
11
11
11
1111
1
γγ
γγγ
γγ
γ
γγ
PPPVPPPVdPPPVH
P
P
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=
−
11
1
1
21
γγ
γγ
PPTRWs
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Contoh: Udara pada suhu 25 °C dan 1 atm ditekan menjadi 8 atm dengan menggunakankompresor dengan efisiensi 75 %. Perkirakanlahdaya yang diperlukan untuk menekan udaradengan volumetric flowrate 100 m3/s (padakondisi inlet). Angap udara sebagai gas ideal. Tentukanlah suhu keluar udara.
Bandingkan suhu keluar hipotetis bila kompresorbekerja dengan 100 % effisiensi !
9
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Important notes:
•Daya kompresor berhubungan langsung dengancompression ratio bukan beda tekanan
•Daya kompressor berhungan langsung dengan suhumasuk
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Perbandingan antara adiabatic dan isothermal compression:
dHdH = V = V dPdP
Andaikan (“mimpi”) kita bisa merancang kompresor yang bekerja mendekati isotermal. Untuk gas ideal:
dws = dws = dHdH = V = V dPdP
( )PdRTdPP
RTdWs ln11 ==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
1
21 ln
PPRTWs
10
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Untuk perbandingan kompresi yang kecil misalnyauntuk fan, operasi mendekati isotermal. Untuk padaumumnya kompresor, operasi lebih mendekatiadiabatic-reversibel daripada isotermal.
P
V
Isentropis Line
IsotermalLine
P
V
Isentropis Line
IsotermalLine
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Bagaimana Mendekati Rute Isotermal ?
Multi stage operation dengan intercooler:
T1
T1P1
P2
Q
T1
T1P1
P2
Q
11
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
ΔH
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
P
V
Isentropis Line
IsotermalLine Stage 1
Stage 2
Dalam Multistage Compressor system biasanyadaya tiap stage sama.
12
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Turbine
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Turbine Shaft and Blades
13
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Steam Power Plant
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Analog dengan kompressor asumsinyahanya P2 < P1
zguHWQ S Δ+Δ
+Δ=+2
2
HWS Δ=
14
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Contoh: Sebuah unit pada suatu steam power plant mengexpansikan steam bertekanan 30 bar dan suhu 500 °C menjadi 8 bar denganmenggunakan sebuah turbine. Bila turbinbekerja dengan effisiensi 80 % dibanding prosesisentropic, tentukanlah jumlah steam yang diperlukan untuk menghasilkan daya 20 MW. Tentukan juga kondisi aktual steam keluarturbin.
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Pompa
• Mengalirkan cairan• Menekan cairan• Note: cairan biasanya dapat dianggap
incompressible (specific volumenyatidak dipengaruhi oleh tekanan)
15
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
HWS Δ=
dHdH = T = T dSdS + V + V dPdP
dWdWss = = dHdH = V = V dPdP
( )12 PPVWs −=
Bila Cairan Non-Compressible:
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Contoh: air umpan boiler bertekanantinggi akan ditekan dari tekananatmosfer menjadi 70 atm. Tentukanlahdaya minimum pompa yang diperlukanbila kecepatan umpan boiler adalah100 m3/jam
Daya minimum: daya terhitung denganmengabaikan friction loss
16
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Nozzle
• Untuk mendapatkan fluida dengan kecepatantinggi dari fluida bertekanan tinggi
• Design mekanik dari nozzle bukan wilayahkeahlian chemical engineer
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Bila proses isentropic:
ududH +=0dan
dHdH = V = V dPdP
uduVdP +=0
Maka:
gdzududHdWdQ S ++=+
17
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Bisa dibuktikan untuk gas ideal:
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=−
−γγ
γγ
1
1
21121
22 1
12
PPVPuu
Dari Fisika bisa dibuktikan untuk converging nozzle kecepatan maksimum adalah kecepatan suara yang dicapai di bagian dengan penampang terkecil (throat)
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Nozzle
Nozzle untuk Ejector
18
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Contoh: Steam enters a nozzle at 800 kPa and 280 oC at negligible velocity and discharge at pressure of 525 kPa. Assuming isentropic expansion of the steam in the nozzle, what is the exit velocity and what is the cross-sectional area at the nozzle exit for a flow rate of 0.75 kg/sec.
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Expansion Valve
P1 P2
zguHWQ S Δ+Δ
+Δ=+2
2
HΔ=0
19
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
0=ΔH
• Ekspansi dengan menggunakan expansion valve seringdisebut free expansion sering digunakan untukmendapatkan suhu yang lebih rendah
• Namun free expansion untuk gas ideal tidak akanmendapatkan penurunan suhu karena entalpi gas ideal hanya merupakan fungsi suhu, maka bila entalpi tidakberubah maka suhupun juga tidak berubah
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Contoh:
1. Ingin diperoleh efek penurunan suhu dengan ekspansi gas metana dari tekanan 300 psia 30 C menjadi 150 psia dengan menggunakan sebuah katup ekspansi
2. Bandingkan dengan ekspansi refrigerant HFC-134a dari 200 psia, 100 F menjadi 50 psia dengan expansion valve
20
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM
Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM