Sejumlah besar perangkat teknik (engineering device) seperti nozel, diffuser, turbin dan kompresor, beroperasi di bawah kondisi yang stabil/tidak berubah dan dalam jangka waktu yang lama, dapat dimodelkan atau diklasifikasikan sebagai perangkat aliran tunak.
Asumsi yang dapat digunakan untuk menganalisis aliran tunak suatu sistem diantaranya adalah:
• Aliran massa melalui sistem tetap konstan ( ̇ = ̇ ).
• Fluida memiliki komposisi yang seragam.
• Satu-satunya interaksi antara sistem dan lingkungannya adalah usaha ( ̇) dan panas ( ̇). Karena volume atur terisolasi dengan baik (dianggap adiabatik), maka tidak ada perpindahan panas ( ̇ = ). Dan karena volume atur adalah konstan, dengan demikian tidak melibatkan usaha batas (boundary work), maka usaha dapat diabaikan ( ̇ = ).
• Keadaan fluida pada setiap titik tetap konstan terhadap waktu.
• Dalam analisis, hanya mempertimbangkan energi potensial (ep), energi kinetik (ek), dan aliran. Untuk sistem yang tidak ada perubahan elevasi, maka perubahan energi potensial dapat diabaikan ( ). Selain itu, perubahan energi kinetik dapat diabaikan ( ), karena nilainya sangat kecil dibandingkan dengan perubahan entalpi.
1) Nozel dan Diffuser
Nozel adalah perangkat yang digunakan untuk meningkatkan kecepatan fluida (tekanan menurun). Sedangkan diffuser adalah perangkat yang digunakan untuk meningkatkan tekanan fluida (memperlambat kecepatan). Skema nozel dan diffuser dapat dilihat pada gambar 4.2.
Gambar 4.2 Skema (a) nozel, dan (b) diffuser
Asumsi umum untuk nozel dan diffuser adalah ̇ ̇ = , dan persamaan massa ̇ = ̇ = ̇, karena hanya satu saluran masuk dan satu saluran keluar. Dengan demikian, berdasarkan Pers. (4.10), maka persamaan keseimbangan energi untuk nozzle dan diffuser, menjadi:
̇ ( ) = ̇ ( ) =
(4.12)
2) Turbin dan Kompresor
Turbin adalah mesin dengan deretan sudu yang dapat berputar pada porosnya. Usaha pada poros turbin adalah positif karena dilakukan oleh tekanan fluida (menghasilkan keluaran daya).
Sedangkan kompresor, pompa dan kipas adalah perangkat yang digunakan untuk meningkatkan tekanan fluida. Karena kerja disuplai ke perangkat ini (memerlukan masukan daya), sehingga istilah kerjanya adalah negatif. Turbin dan kompresor bekerja dalam sistem keadaan tunak dan proses aliran tunak, dengan skema seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.3.
Gambar 4.3 Skema (A) Turbin, Dan (B) Kompresor
Asumsi umum untuk turbin dan kompresor yaitu ̇ , , dan . Berdasarkan Pers. (4.10), maka persamaan keseimbangan energi untuk turbin dan kompresor menjadi:
̇ = ̇( ) (4.13) ̇ = ̇( ) (4.14) 3) Throttling valve
Segala jenis perangkat pembatasan aliran yang menyebabkan penurunan tekanan yang signifikan dalam cairan disebut throttling valve. Penurunan tekanan fluida yang dihasilkan throttling valve terjadi tanpa melibatkan usaha apapun, dan sering disertai dengan penurunan suhu yang besar. Oleh karena itu, throttling valve biasanya digunakan dalam aplikasi pendinginan (refrigeration) dan pendingin ruangan (air- conditioning).
Gambar 4.4 Skema throttling valve
Dari gambar 4.4, maka asumsi umum untuk throttling valve yaitu, ̇ , ̇ , dan . Sehingga, berdasarkan Pers. (4.10) maka pada throttling valve persamaan keseimbangan energi untuk aliran tunggal di perangkat aliran tunak menjadi:
(kJ/kg) (4.15)
Hal ini menunjukkan bahwa nilai entalpi pada saluran masuk dan saluran keluar adalah sama. Untuk mengetahui bahwa pencekikan (throttling) dapat mempengaruhi sifat fluida maka Pers. (4.15) dapat diperluas dengan menggunakan ( ), sehingga diperoleh:
= (4.16)
atau, Energi Internal + Energi Aliran = Konstan
Energi aliran meningkat selama proses ( ), dan hal tersebut terjadi karena mengeluarkan energi internal. Dengan
demikian, energi internal menjadi berkurang, yang biasanya disertai dengan penurunan suhu.
4) Mixing Chamber
Dalam proses di industri mixing chamber digunakan untuk mencampur dua atau lebih aliran fluida menjadi satu aliran fluida tunggal, yang berdasarkan prinsip massa, dimana jumlah aliran fluida yang masuk sama dengan jumlah aliran fluida yang keluar.
Contoh aplikasi mixing chamber yang sederhana adalah T-elbow, dapat dilihat pada gambar 4.5, yang berfungsi sebagai mixing chamber untuk aliran air dingin dan panas.
Gambar 4.5 T-Elbow Sebagai Mixing Chaber
Asumsi umum untuk mixing chamber yaitu ̇ , ̇ , dan . Maka keseimbangan energi untuk mixing chamber (Gambar 4.5) untuk dua saluran masuk dan satu saluran keluar adalah,
̇ ̇ = ̇ (4.17)
̇ = ̇ ̇ (4.18)
̇ ̇ = ( ̇ ̇ ) (4.19) Selanjutnya Pers (4.19) dapat direduksi menjadi:
̇ ( ) = ̇ ( ) (4.20) 5) Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Penukar kalor adalah perangkat di mana dua aliran fluida yang bergerak bertukar panas tanpa pencampuran. Dalam hal ini,
aliran fluida panas menukar kalor dengan aliran fluida dingin tanpa bercampur satu sama lain. Fungsi utamanya adalah untuk mendukung perpindahan energi kalor dari satu fluida ke fluida lain.
Terdapat dua kondisi batas pada penukar kalor (Gbr. 4.6).
Ketika seluruh penukar kalor dipilih sebagai batas volume atur, maka perpindahan panas diabaikan ( ̇ = ). Akan tetapi jika hanya satu fluida yang dipilih sebagai batas volume atur, maka panas akan melewati batas ini ( ̇ ). Prinsip kekekalan massa untuk penukar kalor dapat dinyatakan, bahwa dalam operasi tunak, laju aliran massa setiap aliran fluida yang mengalir melalui penukar kalor tetap konstan.
Gambar 4.6 Skema penukar kalor (a) batas volume atur di seluruh penukar kalor, dan (b) batas volume atur pada fluida B
Untuk skema (a), dengan asumsi ̇ = , ̇ = , , , dan keseimbangan massa ̇ = ̇ . Maka persamaan kekekalan energi pada penukar kalor adalah,
̇ ̇ = ̇ ̇ (4.21) ̇ ( ) = ̇ ( ) (4.22)
̇
̇ =( )
( ) (4.23)
Sedangkan untuk skema (b), dengan asumsi ̇ , ̇ = , , . Maka persamaan kekekalan energi pada penukar kalor adalah,
̇ = ̇ (4.24)
̇ ̇ = ̇ (4.25) 6) Boiler dan Kondensor
Bolier merupakan perangkat teknik yang digunakan untuk memanasakan air dari suhu kamar hingga suhu didihnya, sehingga air dapat diubah menjadi uap. Didalam boiler cairan diubah menjadi uap dengan cara memasok panas ke dalam boiler melalui pembakaran bahan bakar di boiler. Sedangkan kondensor digunakan untuk menkondensasi uap menjadi cairan dengan menghilangkan panas dari cairan tersebut. Skema boiler dan kondensor ditunjukkan pada Gambar 4.7.
(a) (b)
Gambar 4.7 Skema (A) Boiler, Dan (B) Kondensor
Dengan asumsi bahwa tidak ada kerja poros yang terlibat dalam boiler atau kondensor ( ̇ = ), dan perubahan potensial dan kinetik di seluruh perangkat ini sangat kecil dibandingkan dengan perubahan entalpi, sehingga dapat diabaikan ( , ). Maka, persamaan energi aliran tunak untuk aliran yang melalui boiler dan kondensor menjadi
̇ = ̇( ) (4.26) ̇ = ̇( ) (4.27) Cairan
masuk
Uap keluar
Panas masuk
Cairan keluar
Uap masuk
Panas keluar
4.7 Contoh Soal dan Penyelesaian Proses Aliran Tunak