Thermodynamics of Flow Processes file6 Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM Thermodynamics 2-10 MF-ChED...

1

Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM

Thermodynamicsof Flow Processes


1st Law of Thermodynamics:

zguHWQ S Δ+Δ

+Δ=+2

2

Or

gdzududHdWdQ S ++=+

2


Compressor


• 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


P2 > P1 and T2 > T1


4



5



6



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


HWS Δ=

• Untuk menghitung ΔH perlu informasiP2 (ditentukan) dan T2 (belum tahu)

• Asumsikan isentropic (adiabatic reversible)


dHdH = T = T dSdS + V + V dPdP

dHdH = V = V dPdP

Gas ideal pada operasi adiabatic dan reversible:

Constant=γPV

γγ11VPPV =

8


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


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


Important notes:

•Daya kompresor berhubungan langsung dengancompression ratio bukan beda tekanan

•Daya kompressor berhungan langsung dengan suhumasuk


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


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


Bagaimana Mendekati Rute Isotermal ?

Multi stage operation dengan intercooler:

T1

T1P1

P2

Q

T1

T1P1

P2

Q

11


ΔH


P

V

Isentropis Line

IsotermalLine Stage 1

Stage 2

Dalam Multistage Compressor system biasanyadaya tiap stage sama.

12


Turbine


Turbine Shaft and Blades

13


Steam Power Plant


Analog dengan kompressor asumsinyahanya P2 < P1

zguHWQ S Δ+Δ

+Δ=+2

2

HWS Δ=

14


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.


Pompa

• Mengalirkan cairan• Menekan cairan• Note: cairan biasanya dapat dianggap

incompressible (specific volumenyatidak dipengaruhi oleh tekanan)

15


HWS Δ=

dHdH = T = T dSdS + V + V dPdP

dWdWss = = dHdH = V = V dPdP

( )12 PPVWs −=

Bila Cairan Non-Compressible:


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


Nozzle

• Untuk mendapatkan fluida dengan kecepatantinggi dari fluida bertekanan tinggi

• Design mekanik dari nozzle bukan wilayahkeahlian chemical engineer


Bila proses isentropic:

ududH +=0dan

dHdH = V = V dPdP

uduVdP +=0

Maka:

gdzududHdWdQ S ++=+

17


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)


Nozzle

Nozzle untuk Ejector

18


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.


Expansion Valve

P1 P2

zguHWQ S Δ+Δ

+Δ=+2

2

HΔ=0

19


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


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 of Flow Processes file6 Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM Thermodynamics 2-10 MF-ChED...

Documents

Transcript of Thermodynamics of Flow Processes file6 Thermodynamics 2-10 MF-ChED UGM Thermodynamics 2-10 MF-ChED...