LTM Pemicu 3: Termodinamika Teknik Kimia [PDF]

Citation preview

LTM TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA Pemicu 3 2013 NERACA ENERGI DAN EFISIENSI POMPA Oleh Rizqi Pandu Sudarmawan [0906557045], Kelompok 3 I. Neraca Energi Pompa Bila pada proses ekspansi akan menghasilkan penurunan tekanan pada aliran fluida, sebaliknya pada proses kompresi akan menghasilkan peningkatan tekanan pada aliran fluida. Kompresor, pompa, fan, blower, dan pompa vakum merupakan alat-alat yang didesain untuk tujuan tersebut. Alat-alat tersebut sangat vital perannya dalam transportasi fluida, fluidization pada partikel padatan, membawa fluida dari satu tekanan keadaan awal ke tekanan reaksi atau proses, dll. Dalam topik ini, saya akan meninjau neraca energi pada pompa untuk keadaan kompresi fluida steady state, serta contoh aplikatif penggunaannya dalam perhitungan. Cairan biasanya dipindahkan dari satu tempat ke tempat yang lain dengan menggunakan pompa, yang secara umum merupakan rotating equipment. Persamaan di bawah ini berlaku untuk pompa adiabatis. Persamaan NME untuk Sistem Terbuka:



… (1) Persamaan Neraca Energi untuk Steady-State Flow Processes … (2) Persamaan ini diturunkan dari persamaan (1), dimana akumulasi



Artinya



massa dalam sistem pada control volume selalu konstan, tidak ada perubahan terhadap waktu pada sifat-sifat fluida di dalam control volume maupun pada sisi masuk (entrance) dan keluar (exit). Pada kondisi ini, ekspansi control volume tidak dimungkinkan. Kerja yang ada pada proses adalah shaft work, dan persamaan (2) menjadi



… (3) Ketika sistem tertutup mengalami suatu proses reversible internal, entropi sistem ini dapat meningkat, menurun, atau tetap tidak berubah.



… (4)



1



Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia



LTM TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA Pemicu 3 2013  Sistem diberikan energi melalui perpindahan kalor  sistem akan mengalami peningkatan entropi.  Sistem memberikan energi melalui perpindahan kalor  sistem akan mengalami penurunan entropi.  Proses adiabatik reversible internal  entropi cenderung konstan. Proses ini disebut proses isentropik. Pada sistem yang mengalami proses isentropik berlaku … (5) dengan mengingat hubungan … (6) Persamaan (5) menjadi



… (7) Pengembangan lebih lanjut dapat diturunkan dari hubungan … (8) … (9)



… (10) Karena perubahan temperatur fluida pada pompa sangat kecil dan sifat-sifat cairan tidak sensitif terhadap tekanan (pada kondisi jauh dari titik kritis), persamaan (8) dan (9) dapat diintegrasikan dengan asumsi Cp, V, dan adalah



(volume expansivity) konstan. … (11)



… (12)



2



Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia



LTM TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA Pemicu 3 2013 II. Efisiensi Pompa Dari persamaan (3) dan (5) dapat diturunkan persamaan efisiensi isentropiknya. Efisiensi isentropik pompa merupakan perbandingan antara kerja aktual pompa dengan kerja yang dapat dicapai pada keadaan ideal untuk the same inlet state & the same exit pressure.



… (13)



… (14)



Gambar 1. Perbandingan antara kompresi nyata dan isentropik (Sumber: Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th ed, England: John Wiley & Sons, Inc, hal 247)



Gambar 1 menunjukkan diagram HS dimana terdapat perbandingan antara kompresi proses nyata dengan isentropik untuk keadaan inlet yang sama dan tekanan exit pressure yang sama. Kompresi isentropik ditunjukkan oleh garis vertikal pada entropi konstan dari titik P1 ke P2s. Sedangkan garis putus-putus menunjukkan kompresi aktual denga kenaikan entropi dari titik P1 ke P2. Karena prosesnya adiabatik, irreversibilitas menyebabkan kenaikan entropi fluida. Semakin irreversible proses yang terjadi, titik 2 akan terletak semakin jauh di kanan garis isobar P2, sehingga menurunkan efisiensi proses. Contoh aplikatif 1. Water at 318.15 K and 10 kPa enters an adiabatic pump and is discharged at a pressure of 8600 kPa. Assume the pump efficiency to be 0.75. Calculate the work of the pump, the temperature change of water, and the entropy change of water. Penyelesaian:  Sifat-sifat saturated liquid water pada 318,15 K V = 1010 cm3 kg-1



3



425 x 10-6 K-1



Cp = 4,178 kJ kg-1 K-1



Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia



LTM TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA Pemicu 3 2013  Perhitungan Ws (isentropic) dan ΔH



Ws (isentropic) = (ΔH)s = 1010



ΔH =



(



)



 Perhitungan perubahan temperatur air



ΔT) + 1010



= 4,178



ΔT = 0,97 K  Perhitungan perubahan entropi air



(



[



])



Contoh aplikatif 2. A 5 kilowatt pump operating at steady state draws in liquid water at 1 bar, 15oC and delivers it at 5 bar at an elevation 6 m above the inlet. There is no significant change in velocity between the inlet and exit, and the local acceleration of gravity is 9.8 m /s2. Would it be possible to pump 7.5 m3 in 10 min or less? Explain. Penyelesaian:  Asumsi 1. Sistem dalam keadaan tunak. 2. Tidak ada perubahan EK. 3. Liquid water adalah cairan tak termampatkan dengan volume spesifik pada 15oC, Vf(15oC) = 1,0009 x 10-3 m3/kg.  Perhitungan mass flow rate untuk 10 menit atau kurang ̇



4



(



)



Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia



LTM TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA Pemicu 3 2013 ⁄ ̇



 Perhitungan power input aktual yang dibutuhkan



̇



[*(



)(



(



)+



)] (



)



 Analisa power input Power input yang tersedia



Power input yang dibutuhkan (5,73 W). Oleh



sebab itu, sistem tidak akan mampu mengatasi reversibilitas internal seperti friksi antara fluida dengan dinding pipa dll. Maka, tidak dimungkinkan untuk memompa 7,5 m3 liquid water selama



10 menit.



DAFTAR PUSTAKA H.C. van Ness, and M.M. Abbott, 1989. Schaum’s Outline of Theory and Problem Thermodynamics, 2th ed. New York: McGraw Hill. J.M. Smith, H.C. van Ness, and M.M. Abbott (SVA), 2001. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6th ed. New York: McGraw Hill. Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th ed, England: John Wiley & Sons, Inc



5



Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia