A. Agung Putu Susastriawan., ST., M.Tech O P E N S Y S T E M A. Agung Putu Susastriawan., ST., M.Tech

Objectives: Mahasiswa dapat mengerti dan memahami konsep kekekalan massa (conservation of mass principle). Mahasiswa mengerti akan transport energy untuk flowing fluid. Mahasiswa dapat menyelesaikan persamaan keseimbangan energy untuk steady flow device.

Open system/sistem terbuka disebut pula dengan Control Volume. YES OPEN SYSTEM Open system/sistem terbuka disebut pula dengan Control Volume. Massa dan Energy (heat & work) dapat melewati boundary dari sistem. ada aliran massa yang menyebabkan adanya flow energy (nozzle, difusser, compressor, turbine). Boundary control volume disebut dengan control surface.

Control Surface real dan imaginer Fix dan moving Control Surface Contoh Open System

Massa adalah conserved property 5.1. Conservation of Mass Massa adalah conserved property Tidak dapat dimusnahkan atau dihilangkan selama proses berlangsung Contoh: Mass Flow rate: adalah jumlah massa yang mengalir per satuan waktu (kg/s) ρ = massa jenis fluida (kg/m3) A = cross sectional area (m2) v = kecepatan rata-rata (m/s)

atau Mass Flow rate: dengan Volume Flow rate laju kapasitas aliran adalah volume yang melalui luasan penampang per satuan waktu (m3/s) Mass flow rate dan Volume flow rate relation

Conservation of Mass Principle “The net mass transfer to or from a control volume during a time interval Δt is equal to the net change (increase or decrease) in the total mass within the control volume during Δt”. untuk Steady Flow Process → (dmcv/dt =0).

Mass Balance untuk Single Inlet-Exit Steady Flow Process Steady Compressible Fluid Steady Incompressible Fluid = inlet = exits massa adalah conserved tetapi tidak dengan volume

5.2. Flow Work & Energy dari Flowing Fluid Flow work diperlukan untuk menjaga kelangsungan aliran melalui control volume. Flow work per unit massa: (kJ/kg) P = Pressure/tekanan (kPa) ν = specific volume fluida (m3 /kg) flow work disebut juga Flow Energy atau Transport Energy.

Energy dari flowing fluid dalam mass basis: θ=P ν + u + ke + pe dengan: Pν + u = h maka: (kJ/kg) Jumlah total energy yang ditransfer oleh massa (m): (kJ) Laju total energy yang ditransfer oleh mass flow rate ( ) (kW)

5.3. Energy Analysis of Steady Flow Devices steady flow devices dianalisa dengan idealisasi proses, yaitu steady flow process Assumsikan sebagai Control Volume Tidak ada property yang berubah terhadap waktu didalam control volume. massa m, dan energy total E adalah constant Contoh engineering steady flow devices: Diffuser, Nozzle, Kompressor, Turbine,

The first law atau energy balance relation untuk general steady flow process: Untuk single stream (satu inlet dan satu outlet) Dalam mass basis Bagaimana satuan????

Jet Engine Main Component Courtesy: a Pratt & Whitney PW4084 turbofan capable of producing 84,000 pounds (373.7 kN) of thrust. It is 4.87 m (192 in.) long, has a 2.84 m (112 in.) diameter fan, and it weighs 6800 kg (15,000 lbm).

Contoh Steady flow devices pada Jet Engine Compressor Turbine Nozzle Diffuser

1. Nozzle & Diffuser Nozzle untuk menaikkan kecepatan Diffuser untuk menurunan kecepatan

Contoh: Akselerasi Steam pada Nozzle. Superheated water (4 MPa dan 300 0C) masuk sebuah nozzle dengan kecepatan 100 m/s. Saat keluar nozzle kondisi steam adalah 1 MPa dan 200 0C. Jika luas penampang inlet adalah 30 cm2 , maka tentukan: Mass flow rate dari steam Kecepatan steam saat keluar nozzle Luas penampang dari nozzle exit Steam P1 = 4 MPa T1 = 300 0C P2 = 1 MPa T1 = 200 0C

Solusi: Diketahui: P1 = 3 MPa T1 = 300 0C A1 = 30 cm2 v1 = 100 m/s , (v2), (A2) = ??? Ditanyakan: Steam P1 = 4 MPa T1 = 300 0C P2 = 1 MPa T2 = 200 0C Schematic:

Hitungan: Property steam di inlet dan exit (Table A-6) Inlet (state 1) ν1 = 0.05887 m3/kg P1 = 4 MPa T1 = 300 0C h1 = 2961.7 kJ/kg Exit (state 2) ν2 = 0.20602 m3/kg P1 = 1 MPa T1 = 200 0C h2 = 2828.3 kJ/kg Mass flow rate:

Energy balance untuk steady flow device adalah: Steady flow device (no change with time) Perubahan energy potential diabaikan Tidak ada work dan heat interaction

Kecepatan Steam pada Nozzle Exit v2 = 372 m/s Luas Penampang Exit

Deceleration Udara pada Diffuser Deceleration Udara pada Diffuser. Udara pada 10 0C dan 80 kPa masuk diffuser dari sebuah jet engine dengan kecepatan 200 m/s. Luas inlet diffuser adalah 0.4 m2. Udara meninggalkan diffuser dengan kecepatan yang sangat kecil dibandingkan dengan saat masuk diffuser sehingga dapat diabaikan. Tentukan: Tentukan laju aliran massa udara tersebut Temperature udara saat keluar diffuser

Solusi: Diketahui: T1 = 10 0C, P1 = 80 kPa, V1 = 200 m/s, A1 = 0.4 m2 Ditanyakan: , T2 = ??? Schematic:

Hitungan: Terlebih dahulu kita perlu mengetahui specific volume dari udara. Kita gunakan persamaan gas ideal untuk menentukan specific volume udara di inlet: Selanjutnya: (jawab)

Untuk steady flow process untuk Q=0, W=0, dan Δpe≈0, maka persamaan keseimbangan energy menjadi: h1 ditentukan dari table A-17 untuk kondisi 283 K, dan didapatkan: h1 = h283 K = 283.14 kJ/kg selanjutnya: Akhirnya dari table A-17 T2 = T @303.14 kJ/kg = 303 K (jawab)

2. Kompresor dan Turbin Kompresor digunakan untuk menaikkan tekanan fluida (gas) dengan proses kompresi. Daya input dari motor sebagai penggerak poros kompresor. Sedangkan turbin digunakan untuk mengubah energy aliran (flow energy) menjadi daya putar poros.

Contoh: Kompresor. Udara dengan tekanan 100 kPa dan temperature 280 K dikompresi hingga 600 kPa. Akibat kompresi ini, temperature udara juga naik menjadi 400 K. Massa laju aliran udara 0.02 kg/s, dan heat loss diketahui 16 kJ/kg selama proses. Dengan asumsi energy kinetic dan energy potensial diabaikan, serta udara adalah gas ideal, tentukan daya yang diperlukan oleh kompresor

Solusi: Diketahui: Ditanyakan: = ??? Schematic: P1 = 100 kPa, T1 = 280 K, P2 = 600 kPa, T2 = 400 K, Ditanyakan: = ??? Schematic:

Hitungan: Enthalpy udara ditentukan dari property table A-17 h1 = h@280 K = 280.13 kJ/kg h2 = h@400 K = 400.98 kJ/kg Dari Persamaan energy, work input menjadi: (jawab)

Turbine. Daya keluaran turbin uap adiabatic adalah 5 MW Turbine. Daya keluaran turbin uap adiabatic adalah 5 MW. Kondisi uap pada inlet dan exit turbine seperti pada gambar, maka tentukan: Besarnya Δh, Δke, dan Δpe. Kerja yang dihasilkan oleh turbin per unit massa uap Laju aliran massa uap

Solusi: Diketahui: Ditanyakan: = ??? Hitungan: Steam pada turbine (kondisi pada gambar), Ditanyakan: Δh, Δke, 2Δpe, wout, = ??? Hitungan: Pada turbine inlet (superheated vapor): P1 = 2 MPa T1 = 400 0C → h1 = 3248.4 kJ/kg (Table A-6)

Pada turbine exit (sat. liquid-vapor mixture): P2 = 15 kPa → hf = 225.94 kJ/kg (table A-5) hfg = 2373.3 kJ/kg sehinga enthalpy pada turbin exit menjadi: h2 = hf + x hfg = 225.94 + 0.9 (2373.3) = 2361.01 kJ/kg Δh, Δke, Δpe menjadi: Δh = h2 – h1 = 2361.01 – 3248.4 = - 887.39 kJ/kg

Work output turbine per unit massa steam adalah: Steam mass flow rate yang diperlukan untuk output 5 MW adalah: