Konservasi Energi dengan Menggunakan Refrijeran Campuran

 

 



Pendahuluan

Untuk refrijeran tunggal dan ber-evaporasi pada tekanan konstan diantara cairan jenuh dan uap jenuh, temperatur akan tetap konstan. Ketika sistem refrijerasi mendinginkan aliran fluida pada jangkauan temperatur yang tinggi atau sistem membuang panas ke fluida yang menaikkan temperatur yang melewati kondenser, sangat dimungkinkan untuk memanfaatkan daya kompresi dengan menggunakan solusi biner (larutan dengan dua zat). Aplikasi ini digunakan dalan kriogenik dan industri petrokimia.

Siklus refrijerasi menggunakan beberapa komponen seperti kompresor, kondenser, evaporator, dan katup seperti yang dijelaskan pada gambar 2. Suatu campuran refrijeran R-12 dan R-14 akan dibahas.

Gambar sistem pendingin refrijeran campuran

 

 

 

Siklus refrijerasi menggunakan beberapa komponen seperti kompresor, condenser, evaporator, dan katup seperti yang dijelaskan pada gambar 2. Suatu campuran refrijeran R-12 dan R-14 akan dibahas.

 

Dimana:

R-12: ln P = 14.861- 2498.3/T

R-114: ln P = 15.407 – 2993.2/T

P= pressure (kPa)

T= temperature (K)
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Heat Pump Optimum Untuk Pasteurisasi Susu

        Kebutuhan yang essensial pada proses pasteurisasi susu adalah untuk mempertahankan susu sampai pada 73oC, dan menahannya sekitar 20 s. Susu sampai pada pengolahan dari tangki truck dengan temperature = 7 oC, dan harus dikemas dari tempat proses pasteurisasi pada temperature 4 oC. Proses Pasteurisasi Tradisional menggunakan uap atau air panas, untuk membuat temperature susu 73 oC, kemudian susu dialirkan melewati heat exchanger berpendingin air  dan sebuah evaporator refrigerant. Panas dari proses refri gerasi  dibuang ke udara melalui sebuah cooling tower atau sebuah condenser berpeningin udara. Untuk menghemat energy, kemungkinan untuk mempergunakan heat pump dipertimbangkan untuk digunakan, satu siklus yang mungkin dilakukan ada pada gambar dibawah  ini :

Aliran susu masuk terlebih dahulu melewati regenerative heat exchanger lalu kemudian ke heater (Fore Kondenser heat pump) fore condenser ini menaikkan temperature susu sampai 73 oC, setelah itu kembali lagi ke regenerative heat exchanger dan terahir melewati evaporator heat pump.

Diketahui:

Flow rate susu: 4 kg/s untuk 4 jam/hari

Panas Specific Susu 3750 J/kg K

Biaya untuk setiap luasan (evaporator,Regenerative Heat Exchanger dan condenser) adalah $ 95

Nilai U untuk Regenerative Heat Exchanger = 500 W/(m2.K)

Nilai U untuk evaporator Refrigerant, forekondenser, dan afterkondenser = 600 W/(m2.K)

Nilai COP heat pump (rasio dari kapasitas evaporator terhadap daya compressor) = 75 % dari COP siklus carnot untuk temperature proses kondensasi dan evaporasi)

First Cost untuk compressor dan motor = $ 120

Biaya Listrik = 3,5 cent / KWh

Interest rate = 9 %

Umur Ekonomis proses ini adalah 6 tahun.

Air pendingin masuk after condenser pada suhu 30 oC dan keluar dengan temperature 35 oC

Flow rate air pendingin diatur agar bisa menyerap panas dari refrigerant.

Ditanya:

Optimasikan system tersebut untuk memperoleh minimum total present worth, untuk usia ekonomis system tersebut, secara specific tentukan luasan setiap heat exchanger, daya yang dibutuhkan oleh compressor dan temperature t1 dan t2 yang menghasilkan system yang optimum.

Diskusi:

Nilai - nilai optimum diperoleh ketika semua pertukaran panas sudah selesai pada regenerator.

Energi balance keseluruhan dari system mengindikasikan  bahwa karena energy mengalir kedalam system  dengan menggunakan kerja kompresi dan karena susu keluar dengan temperature lebih rendah dari pada suhu masuk, maka pasti di suatu tempat terjadi proses pelepasan energy yang berhubungan . Pelepasan energy terjadi pada after condenser. Siklus alternative ini mencoba mencari tahu lebih baik mana melepaskan panas pada heat exchanger berpendingin air daripada di uap refrigerant.

Jawab:

Fungsi Objektif

Fungsi Biaya .

First Cost untuk compressor dan motor = $ 120

Biaya Listrik = 3,5 cent / KWh

Interest rate = 9 %

Umur Ekonomis proses ini adalah,6 tahun.

F = $120P + 0.035 $ .P.4.(4.6.365)+$95.A

F = $120P + $2350,6.P+$95.A

F = 2470.6 P + 95 A ($)

Energi Balance di Regenerative Heat Exchanger

Energi Balance di Fore Kondenser

Energi Balance di Evaporator

Energi Balance di After Condensor

Heat Pump

Ketujuh Persamaan diatas bisa diseleaikan dengan Optimtool, dengan M file Fungsi Objektifnya sebagai berikut ini :

function [f] = persA_14(x)

% 5 persamaan (non linear equations) yang akan diselesaikan:

% dengan variabel x = [x(1);x(2);x(3);x(4);x(5);x(6);x(7)]

% Ket.variabel x(1)=A1,x(2)=t1,x(3)=t2,x(4)=A2,x(5)=A3, x(6)=A4,x(7)=P

f=2470.6*x(7)+95*(x(1)+x(4)+x(5)+x(6))

% end function

M file Fungsi Constraintnya sebagai berikut ini :

function [c,ceq]=A_14(x)

c(1) =500*x(1)*(73-x(2))-(x(3)-73)-log((73-x(2))/(x(3)-7))*15*(x(3)-   73)

c(2) =(x(2)-73)-(7-x(3));

c(3) =log((x(2)-73)/(7-x(3)))*(73-x(2))-(x(3)-7)-log((73-x(2))/(x(3)-7))*((x(2)-73)-(7-x(3)));

c(4) =600*x(4)*(73-x(2))-15*(73-x(2))*log((100-x(2))/27);

c(5) =600*x(5)*(4-x(3))-15*(x(3)-4)*log((-10-x(3))/-14);

c(6) =600*x(6)*5/log(70/65)-104.5

c(7) =15*(x(3)-4)-0.0682*x(7)

ceq = [];

end

Hasilnya adalah sebagai berikut :

Dari Hasil Optim tool dengan nilai awal x0 = [1 50 30 1 1 1 110]; diperoleh hasil sebagai berikut ini :

X(1) = A1 (Luasan HE regenerative) = 0,201 m2;

X(2) = t1 = 50 oC;

X(3) = t2 = 21,195oC;

X(4) = A2 (Luasan Fore Condenser) = 0,301 m2;

X(5) = A3 (Luasan Evaporator ) = 0,226 m2;

X(6) = A4 (Luasan After Condenser) = 0,401 m2;

X(7) = P (daya compressor) = 15,42 Kw.

OPTIMUM TEMPERATURE DISTRIBUTION IN A MULTISTAGE FLASH- EVAPORATOR DESALINATION PLANT

           Salah satu metode untuk desalinasi air ialah proses distilasi menggunakan multistage flash evaporator, seperti ditunjukkan pada gambar 1.  Desalinasi adalah proses pemisahan yang digunakan untuk mengurangi kandungan garam terlarut dari brine hingga level tertentu sehingga air dapat digunakan. Produk proses desalinasi umumnya merupakan air dengan kandungan garam terlarut kurang dari 500 mg/l, yang dapat digunakan untuk keperluan domestik, industri, dan pertanian. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah brine. Brine adalah larutan garam berkonsentrasi tinggi (lebih dari 35000 mg/l garam terlarut).

           Distilasi merupakan metode desalinasi yang paling lama dan paling umum digunakan. Distilasi adalah metode pemisahan dengan cara memanaskan air laut untuk menghasilkan uap air, yang selanjutnya dikondensasi untuk menghasilkan air bersih. Berbagai macam proses distilasi yang umum digunakan, seperti multistage flash, multiple effect distillation, dan vapor compression umumnya menggunakan prinsip mengurangi tekanan uap dari air agar pendidihan dapat terjadi pada temperatur yang lebih rendah, tanpa menggunakan panas tambahan.

           Air laut mengalir melalui heat exchanger mengembunkan uap air menjadi freshwater, setelah pemanasan awal air laut pada kondenser, steam heater menaikkan temperatur air laut sampai batas maksimum yang diizinkan oleh limitasi korosi  (120 ⁰C). Melalui throttling valve pertama sebagian hot brine akan menguap dan uap air ini terkondensasi pada tabung kondenser dan menetes kedalam freshwater collection pan. Brine dan fresh water dari stage pertama mengalir melalui katup penurun tekanan menuju stage selanjutnya.

           Temperatur dalam stage dianggap sama dengan temperatur kondensasi dari uap, yang ditentukan oleh luasan dari heat-transfer masing-masing stage kondenser.

 

 

Throttling Valve

          Throttling valves atau katup memperlambat/pembatas aliran adalah suatu perangkat yang menyebabkan penurunan tekanan yang signifikan dalam suatu fluida.

          Proses throttling adalah proses enthalpi tetap. Pada proses ini fluida berekspansi dari tekanan tinggi ke tekanan yang bertemperatur jenuh lebih rendah sehingga terjadi perubahan fasa dan penurunan temperatur. Selain itu, katup throttling hanya menurunkan tekanan tanpa adanya kerja (work) yang dihasilkan. Karena pada prinsip kerja katup throttling bersifat volume atur (volume control) dan tanpa kerja yang dihasilkan sedikitpun. Sehingga, kerja yang dilakukan sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

          Katup throttling ini dapat dianggap abiabatik (Q=0). Karena pada katup throttling yang biasa digunakan adalah katup throttling kecil sehingga tidak ada cukup ruang dan waktu yang efektif untuk terjadinya perpindahan panas, sehingga perpindahan kalor yang melalui lubang katup throttling sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Perubahan energi potensial dan energi kinetic spesifik yang dihasilkan sangatlah kecil (∆EP ≈ 0 dan ∆EK ≈ 0  ).

Desain Data :
1.                  Umur instalasi 20 tahun, Interest rate 8 percent.
2.                  Biaya heat exchanger, $ 95/m²  untuk kondensor dan brine heater
3.                  U untuk condenser dan brine heater 2800 W/m². K
4.                  Temperature air laut 15 ⁰  C.
5.                  Steam temperature dalam brine heater 150 ⁰ C
6.                  Maximum temperature brine keluar brine heater 120 ⁰C.
7.                  Harga steam brine heater $ 0,90  per gigajoule, harga tiap stage 12,000 $.
8.                  Asumsi thermal properties brine sama dengan pure water.
 

Assignment :

          Menentukan jumlah stage optimum dan luas heat exchanger masing-masing kondenser untuk menghasilkan total biaya minimum selama 20 tahun desalinasi plant dengan kapasitas fresh water adalah 50 kg/s.

Diskusi :

          Pendekatan yang digunakan yaitu dengan menganggap bahwa stage yang digunakan ialah single-stage plant untuk memudahkan dalam  menyusun persamaan termodinamika dan heat-transfer. Sebuah observasi menarik bahwa temperatur minimum stage adalah  temperatur rata-rata air laut dan temperatur maksimum brine (15 + 120)/2 = 67.5 °C. Temperatur minimum ini terjadi pada luasan infinite kondenser. Luasan optimum kondenser terjadi pada temperatur dengan fraksi lebih dari 67.5 °C.
          Pada two-stage plant, luasan infinite pada dua kondenser dihasilkan pada temperatur stage antara 15 – 120 °C. Temperatur minimum pada stage pertama adalah 85°C dan pada stage kedua ialah 50°C.
          Air laut memiliki boiling point 108.7°C. Sehingga, pada saat keluar dari brine heater dengan  temperatur 120°C brine water tidak mengalami perubahan fase. Oleh karena itu, pada kondisi ini berlaku persamaan Q = m cp ∆T.

Diagram Alir Penyelesaian

 



 

Jadi, dari perhitungan diperoleh hasil sebagai berikut :

A.    Luasan optimum heat exchanger     

1.                  Kondenser stage pertama                                :  1,4122 m²

2.                  Kondenser stage kedua                                   :  0,5074 m²

3.                  Brine heater                                                     :  0,0894 m²

B.    Total minimum cost  dengan bunga 8% selama 20 tahun     : $ 112752.57



 

 

Optimasi Sistem Energi (bagian 9)

SOAL 13.1

Jawaban soal 13.1 Stoecker :

Diketahui :

·         Tabel 13.2

 

 

Ditanya: SDS untuk persamaan di bawah dengan metode least square.

 

Jawab:

 

a.    Persamaan I

 

 

 

Di mana dari table 13.2 :

Matrik B dapat dicari dengan menggunakan matlab :

B = inv(A)*C

Diperoleh :

 

 

Di mana :

 

 

b.       Persamaan 2 :

Dengan data yang sama, dicari SDS dari persamaan :

 

Dalam bentuk matriks:

 

 

Di mana dari table 13.2 :

 

Matrik B dapat dicari dengan menggunakan software :

B = inv(A)*C

Diperoleh :

 

Kemudian disubtitusikan ke dalam persamaan awal menjadi:

 

Dari persamaan ini dicari nilai density baru kemudian dicari nilai SDS :



 

 

Di mana:

 

 

 

Dari perhitungan di atas, dapat disimpulkan bahwa persamaan b lebih baik karena nilai SDS lebih kecil dibandingkan dengan persamaan a.