Duty - Parameter Performansi Sistem Siklus Rankine Organik

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.4 Parameter Performansi Sistem Siklus Rankine Organik

2.5.3 Duty

Duty merupakan besarnya energi atau panas yang ditransfer per waktu. Duty dapat dihitung baik pada fluida dingin atau fluida panas. Apabila duty pada saat operasional lebih kecil dibandingkan dengan duty pada kondisi desain,kemungkinan terjadi heat losses, fouling dalam tube, penurunan laju alir (fluida panas atau dingin), dan lain-lain. Duty dapat meningkat seiring bertambahnya kapasitas. Untuk menghitung kerja alat penukar panas, pada dasarnya menggunakan persamaan sebagai berikut.

Q = m. Cp. Δt (2.5)

Dimana :

Q : Jumlah panas yang dipindahkan (Btu/hr) m : Laju air (lb/hr)

Cp : Sprcifik heat fluida (Btu/lb.⁰F)

Δt : Perbedaan temperatur yang masuk dan keluar (⁰F) 2.6 Komponen Modeling dan Analisis Termodinamika

Secara prinsipnya aliran energi pada Siklus Rankine Organik sama dengan Conventional Rankine Cycle dan siklus tenaga uap lainnya yang juga merupakan bentuk dari hukum termodinamika pertama.

Hukum termodinamika pertama menyatakan bahwa jumlah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. Sehingga jika uraikan secara rumus matematis akan membentuk persamaan 2.5 adalah:

∆Q − ∆W = m[h₁− h₂ +^v¹²^+v²²

2 + g(z₁− z₂) (2.6) Dimana:

∆Q = Selisih energi panas masuk dan keluar sistem

∆W = Selisih kerja yang dilakukan oleh dan keluar sistem 𝓂 = Laju aliran massa

h_1.2 = Nilai entalpi fluida v_1.2 = Kecepatan fluida z_1.2 = Ketinggian fluida

Sebuah siklus tenaga uap khususnya Organic Rankine Cycle (ORC) perubahan pada energi kinetik dan energi potensial dari fluida sangat kecil dan bergantung pada perpindahan panas dan dapat diabaikan, sehingga persamaan 2.5 menjadi persamaan 2.6 dan persamaan 2.7 adalah:

∆Q − ∆W = 𝓂(h₁− h₂) (2.7)

Atau

(Q_in− Q_out) − (W_in− W_out) = 𝓂(h₁− h₂) (2.8) Dimana:

Q_in.out= Panas masuk dan keluar sistem

W_in.out= Kerja yang dilakukan oleh dan ke sistem

Untuk massa aliran fluida menggunakan persamaan 2.8 yaitu:

𝑚 = ρ. Q (2.9)

Dimana:

m = Massa aliran fluida (kg/det) 𝜌 = Massa jenis (kg/m³)

Untuk mencari fraksi mol dari refrigeran pada saat proses, maka di gunakan

Berdasarkan persamaan diatas maka aliran energi setiap komponen Organic Rankine Cycle (ORC) dapat dihitung sebagai berikut:

2.6.1 Pompa

Kondensat cair yang meninggalkan kondensor dipompakan dari kondensor kedalam evaporator sehingga tekanan naik. Dengan menggunakan volume atur di sekitar pompa dan mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor disekitarnya, kesetimbangan laju aliran massa dan energi adalah seperti pada persamaan 2.12 yaitu:

Q − W = 𝑚[h₁ − h₂+^v¹²^−v²²

2 + g(z₁− z₂)] (2.12) Atau

W_p = 𝑚(h₂− h₁) (2.13)

Dimana W_p adalah tenaga masuk per unit massa yang melalui pompa.

Pada proses ideal (isentropik), Kerja pompa ini dapat dinyatakan dalam persamaan 2.14 yaitu:

W_ps = 𝑚(h_2s− h₁) = 𝑣(p₂− p₁) (2.14) Proses kompresi pada pompa ini sebenarnya tidak secara isentropik, tetapi ada penyimpangan yang dinyatakan dengan efisiensi isentropik pompa dan terdapat pada persamaan 2.15 yaitu:

𝜂

_𝑝𝑠

=

^w^ps

w_p

=

^h^2s^−h¹

h₂−h₁

(2.15)

2.6.2 Evaporator

Fluida kerja meninggalkan pompa pada kondisi 2 disebut air-pengisian, dipanaskan sampai jenuh dan di uapkan dalam evaporator. Dengan menggunakan volume atur yang melingkupi pipa evaporator dan tabung evaporator yang mengalirkan air-pengisian dan kondisi 2 ke kondisi ke 3. Dari persamaan 2.4 dan proses pada siklus rankine didapat keseimbangan laju massa dan energi pada persamaan 2.16 yaitu:

Q_in = 𝑚(h₃− h₂) (2.16) Dimana Q_in adalah laju perpindahan kalor dari sumber energi ke dalam fluida kerja per unit massa yang melalui evaporator.

2.6.3 Expander

Uap pada evaporator yang berapa temperatur tekanan yang sudah dinaikan, berekspansi melalui expander untuk menghasilkan kerja dan kemudian dibuang ke kondensor pada kondisi tekanan yang relatif rendah. Dengan mengaikan perpindahan kalor disekelilingnya, keseimbangan laju energi dan massa untuk volume atur di sekitar expander pada kondisi lunak pada persamaan 2.17 yaitu:

W_t = 𝑚(h₃− h₄) (2.17) Dimana 𝑚 menyatakan laju aliran massa dari fluida kerja, dan W_t adalah laju kerja yang dihasilkan per unit massa uap yang melalui expander.

Pada kondisi ideal proses ini terjadi secara isetropik, tetapi pada kondisi aktual terjadi penyimpangan. Proses isentropik dan aktual pada expander ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Proses aktual pada expander [12].

Pada gambar 2.8 dapat dilihat akibat proses tidak isentropik, kondisi uap keluar expander tidak pada titik 4s, tetapi akan bergeser ke sebelah kanan ke titik 4a. Dengan kata lain entropi akan bertambah dari 4s ke 4a. Hal yang sama juga terjadi pada pompa. Jika proses isentropik, kondisi fluida keluar pompa adalah 2s, Tetapi karena prosesnya tidak isentropik, kondisi fluida keluar pompa adalah di titik 2a.

Pada Proses isentropik, kerja yang dilakukan expander dapat hitung dengan persamaan 2.18 yaitu:

W_ts = 𝑚(h₃− h_4s) (2.18) Kerja expander secara isentropik (kerja ideal) akan lebih besar dari kerja aktual. Perbandingan kerja aktual dan kerja ideal disebut efisiensi isentropik expander. Maka efisiensi isentropik menggunakan persamaan 2.19 yaitu:

𝜂

_𝑡𝑠

=

^𝑤^𝑡

𝑤_𝑡𝑠

(2.19)

Dari persamaan (2.16), (2.17), (2.18) dapat digabungkan untuk mendapatkan nilai entalpi dari aktual uap keluar dari expander (h4), maka persamaannya adalah:

𝜂

_𝑡𝑠

=

^ℎ³⁻^ℎ⁴

ℎ₃−ℎ_4𝑠

(2.20)

2.6.4 Kondensor

Dalam kondensor terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin yang mengalir dalam aliran terpisah. Uap terkondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada kondisi ini, keseimbangan laju massa dan energi untuk volume atur melingkupi bagian kondensasi dan penukaran kalor dengan persamaan 2.21 yaitu:

Q_out= 𝑚(h₄ − h₁) (2.21)

Dimana Q_out merupakan laju perpindahan energi dari fluida ke air pendingin per unit massa fluida kerja yang melalui kondensor.

2.7 Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor (APK) ataupun heat exchanger merupakan sebuah alat yang dipergunakan untuk memindahkan panas antara dua buah fluida maupun lebih yang memiliki perbedaan pada temperaturnya. Perpindahan panas terjadi secara langsung maupun tidak langsung. Dibanyak kasus yang terjadi,kedua fluida tidak mengalami kontak langsung.

2.7.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Alat peenukar kalor di klasifikasikan menjadi berbagai kelompok yaitu :

● Berdasarkan Konstruksi

○ Reboiler

○ Evaporator

○ Vaporizer

2.7.2 APK Jenis Plate Heat Exchanger

Plate and Frame Heat Exchanger adalah suatu tipe heat exchanger yang menggunakan pelat sebagai tempat perpindahan panas di antara dua fluida [18].

Alat penukar panas jenis ini dibuat oleh pelat logam stainless steel tahan karat.

Aliran fluida panas dan dingin mengalir masuk dan keluar melalui suatu lubang pada 4 sudut lembar yang menghasilkan efek perpindahan panas.

Gambar 2.9. Plate Heat Exchanger [18].

Dalam rangka mencegah kebocoran dan pencampuran dari cairan panas dan dingin, Suatu gasket dari suatu Plate and Frame Heat Exchanger berfungsi untuk menghindari bercampurnya fluida panas dan fluida dingin. Gasket diapit di antara plat dan menyegel pelat di sekeliling tepi plat tersebut. Pengatur jarak dan plat dirakit dalam bingkai (frame). Area dari pertukaran panas ditetapkan menurut volume pertukaran panas tersebut.

Aplikasi plate heat exchanger sendiri sangat luas, misalnya untuk mendinginkan minyak pelumas dari mesin, mendinginkan waste water, mendinginkan generator cooler, memanaskan air untuk industri minuman, pasteurisasi susu, dan lain sebagainya.

Gambar 2.10. Aliran fluida melalui Plate Heat Exchanger [18].

2.7.3 Perhitungan Luas Perpindahan Panas

Tabel 2.2. Koefisien perpindahan panas dua fluida pada Plate Heat Exchanger [18].

Untuk menghitung luas perpindahan panas yang terjadi pada Plate Heat Exchanger dapat menggunakan rumus 2.22 dibawah ini

𝐴 = ^𝑄

𝑈 ∆Tm (2.22)

Dimana :

Q : Laju perpindahan panas (kW)

U : Koefisien perpindahan panas keseluruhan (W/m^2oC) ΔTm : perhitunga perbedaan suhu (^oC)

2.7.4 Perhitungan Luas Satu Pelat (A1p)

Untuk mendapatkan luas satu pelat pada PHE,gunakan panjang efektif dan lebar efektif untuk menghitung besar area dari satu pelat. Dengan menggunakan rumus 2.23.

A1p = L.W (2.23)

Dimana :

L : Panjang efektif (m) W : Lebar efektif (m)

2.7.5 Perhitungan Jumlah Plat

Dalam menentukah jumlah plat untuk dapat mendesain Plate Heat Exchanger kita dapat menggunakan rumus 2.24.

𝑁𝑝 = ^𝐴

𝐴1𝑝 (2.24)

Dimana :

Np : Jumlah plat

A : Luas perpindahan panas (m²⁾ A1p : Luas perpindahan tiap plat (m²⁾

2.8 Prinsip Kerja Mesin Diesel

Mesin diesel yang biasanya disebut juga dengan motor penyalaan kompresi yang disebabkan metode penyalaanya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar kedalam ruangan yang telah memiliki tekanan dan temperatur tinggi akibat dari proses kmpresi didalam ruang bakar, perbandingan kompresi dari mesin diesel berkisar antara 15:1 sampai 22:1 sehingga dapat menghasilkan tekanan kompresi 40 bar dengan temperatur rata – rata 500 – 700 ºC. Motor diesel diaplikasikan pada banyak industri-industri sebagai mesin stasioner ataupun untuk kendaraan – kendaraan, hal ini disebabkan motor diesel mongkonsumsi bahan bakar ± 25% lebih rendah dibandingkan dengan motor bensin, perawatan yang sederhana dan lebih murah [19].

Pada dasaranya konstruksi motor diesel lebih besar dan juga lebih kokoh, hal ini dikarenakan tekanan dari kerjanya yang tinggi. Selain itu mesin diesel mengeluarkan bunyi yang lebih keras, warna dan juga bau gas nya cenderung tidak

mengenakan. Namun jika dilihat dari segi ekonomi, bahan bakar dan juga polusi udara, moto diesel masih lebih baik.

Siklus diesel dimisalkan dengan cara memasukan panas pada volume yang konstan, seperti yang terdapat pada Gambar 2.11 berikut .

Gambar 2.11. Diagram P-v dan T-s [19].

Keterangan Gambar : P = Tekanan (atm)

V = Voume Spesifik (m³/kg) T = Temperature (K)

S = Entropi (kJ/kg.K) Keterangan Grafik : 1-2 Kompresi isentropik

2-3 pemasukan Kalor pada volume konstan 3-4 Ekspansi isentropik

4-1 Pengeluaran kalor pada volume konstan

Walaupun memiliki perbedaan, prinsip kerja mesin diesel 4 langkah nyaris serupa dengan mesin otto, hal yang menjadi pembedanya adalah penggunaan injektor pada proses injeksi bahan bakar diesel. Berikut ini adalah proses kerja dari mesin diesel.

1. Langkah Hisap

Pada langkah ini piston akan bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB). Pada saat piston bergerak kebawah, katup hisap terbuka dan akan mengakibatkan tekanan udara dari dalam silinder lebih rendah daripada tekanan atmosfer, akibatnya uda murni langsung masuk keruang silinder melalui saringan udara.

2. Langkah Kompresi

Pada langkah ini piston akan bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup menutup. Udara yang berada dalam silinder ditekan oleh piston dan mengakibatkan kenaikan tekanan dan juga temperatur. Sesaat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar disemprotkan kedalam ruang bakar oleh injektor dalam bentuk kabut.

3. Langkah Usaha

Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, semprotan bahan bakar di ruang bakar akan mengakibatkan ledakan pembakaran yang akan meningkatkan temperatur dan tekanan dalam ruang bakar. Tekanan yang besar itu akan mendorong piston dari TMA ke TMB, dan menyebabkan terjadinya gaya aksial. Kemudian gaya aksial ini akan dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya putar (radial).

4. Langkah Buang

Pada langkah ini gaya sentripetal yang masih terjadi pada flywheel akan menaikan kembali piston dari TMB ke TMA, dengan waktu yang bersamaan katup buang akan terbuka sehingga udara sisa dari pembakaran akan didorong keluar dari ruang bakar menuju exhaust manifold dan langsung menuju ke knalpot. Peristiwa ini berlangsung kontinu sehingga terjadi siklus pergerakan piston yang tidak berhenti selama faktor yang mendukung siklus tersebut tidak terganggu atau bahkan terputus. Proses diatas dapat dilihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12. Prinsip Kerja Mesin Diesel [20].

2.9 Analisis Sistem Rankine Organic Berbasis Perangkat Lunak (Software)

Selain menggunakan metode teoritis dan juga juga ekperimental, sebuah siklus tenaga uap yang menggunakan prinsip Siklus Rankine Organic (ORC) juga bisa diselesaikan dengan menggunakan metode simulasi perangkat lunak. Untuk menyelesaikkan dengan metode simulasiada beberapa perangkat lunak yang dapat digunakan, seperti Cycle Tempo, DWSIM, Aspen Plus, dan lainnya. Pada penelitian kali ini Perangkat Lunak yang digunakan adalah Aspen Plus V11.

2.9.1 Software Aspen Plus V11

Aspen merupakan sebuah software yang bisa melakukan proses simulasi didalam suatu plant. Proses yang berlangsung mulai dari bahan mentah hingga menjadi produk yang akan dihasilkan. Dalam melakukan simulasi, yang harus dibuat yaitu jenis bahan yang akan digunakan, process flow diagram (PFD), menghitung balance massa dan energi. Aspen juga berfungsi menghitung kelebihan seperti interaktif yang mudah dalam memasukkan data.

Dalam penelitian tugas akhir, software ini bertujuan untuk mengetahui proses dari jumlah massa dan energi yang diperlukan dari fase air hingga menjadi steam. Dalam menentukan proses apa yang terjadi didalam sistem, langkah yang harus dikerjakan adalah membuat Process Flow Diagram (PFD) sistem, dan juga menentukan laju aliran massa. Nilai aliran massa yang masuk harus sama dengan yang keluar. Tampilan dari Aspen Plus dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13. Tampilan Software AspenPlus V11.

2.9.2 Proses Simulasi Aspen Plus

Dalam menjalankan simulasi dengan menggunakan Aspen Plus, ada langkah-langkah yang dilakukan secara umum adalah sebagai berikut:

1. Menentukan komponen yang akan digunakan pada simulasi 2. Melakukan pengisian data

3. Memilih metode yang digunakan

4. Membuat desain siklus yang sesuai dengan apa yang akan diteliti 5. Melakukan pemeriksaan model

6. Menentukan kondisi batas

7. Mengatur parameter dan spesifikasi kontrol solusi 8. Melakukan simulasi

9. Menyimpan hasil simulasi

2.9.3 Model Matematika Proses Simulasi

Pemilihan model matematika dalam sebuah proses simulasi sangat diperlukan untuk memperoleh hasil simulasi yang mendekati hasil sebenarnya.

Dalam simulasi menggunakan Aspen Plus, model matematika yang digunakan pada Aspen Plus adalah model matematika yang diterapkan REFPROP.

REFPROP adalah singkatan dari REFerence fluida PROPerties. Model ini dikembangkan oleh National Institute Of Standards and Tecnology (NST) yang memberikan sifat termodinamika dan transportasi yang penting secara indutry cairan dan juga campurannya dengan penekanan pada refrigeran dan hidrokarbon, terutama sistem gas alam. REFPROP didasarkan pada model cairan dan campuran murni yang paling akurat tersedia saat ini. REFPROP menginplementasikantiga model termodinamika sifat dari fluida murni yaitu persamaan keadaan eksplisit dalam energi Helmholtz, memodifikasi persamaan Benedict-Webb-Rubin dan Extended Corresponding States (ECS) model.

Perhitungan campuran dengan menggunakan model ini menerapkan aturan dalam pencampuran pada energi Helmholtz dari komponen campuran dan menggunakan fungsi untuk memperhitungkan perbedaan dari pencampuran ideal.

Viskositas dan konduktivitas termal dimodelkan dengan fluida dengan kolerasi tertentu, metode ECS atau didalam beberapa kejadian metode teori gesekan

REFPROP di Aspen Pyhsical Property System disediakan dibawah perjanjian dengan National Institute Of Standard [21].

Dalam penerapan pada simulasi aspen, pada kerapatan rendah faktor bentuk diasumsikan satu, dan temperatur konformal dan kerapatan molar diperoleh pada persamaan:

ρRT= 1 + δ(^∂α^r

∂δ)_τ (2.25)

Dimana :

δ: d_i = 1 + 1 = r₁ ⇒ d_i = r_i τ: t_i = −s_i

c: d_ia_i = n_iT_c^sⁱρ_c^rⁱ

Lalu persamaan Bender ditunjukkan pada persamaan 2.26

∑ ⁿⁱ

RT_c^sⁱ⁻¹ρ_c^sⁱ⁻¹τ^rⁱ⁻¹δ^rⁱ⁻¹

i (2.26)

Dimana :

𝛿: 1 + d_i− 1 = r_i− 1 τ: t_i = −(s_i− 1) c: d_ia_i = n_i

RT_c^sⁱ⁻¹ρ_c^rⁱ⁻¹ 𝛿: 1 + d_i− 1 = r_i− 1

τ: t_i = −(s_i− 1) c: d_ia_i = n_i

RT_c^sⁱ⁻¹ρ_c^rⁱ⁻¹

Pada persamaan Bender, beberapa bagian eksponensial bisa disederhanakan menadi persamaan 2.27.

a_iδ^dⁱτ^tⁱexp (−γδ²) (2.27)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 3.1.1 Waktu Penelitian

Waktu penelitian ini dilakukan selama kurang lebih 6 bulan yang dimulai dari bulan Mei 2021 sampai dengan bulan Oktober 2021. Detail kegiatan penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Kegiatan Penelitian.

Tempat atau lokasi dilakukannya penelitian ini adalah di Laboratorium Grup Riset Bioenergi dan Sistem Fuel Cell (Bio-Energy and Fuel Cell System Research Group) di Gedung Prodi Magister Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara jalan Almamater Kampus USU Medan.

3.2 Identifikasi Penelitian

Metode simulasi adalah metode yang digunakan untuk memecahkan masalah dengan membuat simulasi yang mendekati dengan aktual dan menyelesaikannya dengan bantuan perangkat lunak dan komputer. Hal ini dikarenakan agar hasil yang didapatkan bisa mempersentasikan keadaan sistem yang sebenarnya (aktual) ataupun minimal mendekati.

Kelebihan dari penelitian menggunakan simulasi yaitu dapat mengurangi penggunaan biaya karena sistem try and error dilakukan dalam bentuk permodelan bukan keadaan sebenarnya (aktual). Namun demikian, hasil akhir harus memenuhi

kaidah keilmuan dan dapat dipertanggungjawabkan. Untuk itu, diperlukan proses validasi hasil simulasi terhadap hasil eksperimen.

Metode pengujian ini merupakan desain bentuk permodelan simulasi dengan menggunakan software Aspen Plus V.11 dalam menyelesaikan sebuah permasalahan yang terjadi terkait dengan penggunaan Siklus Rankine Organik dengan memanfaatkan panas pembuangan dari Mesin Pembakaran Dalam.

3.3 Skema Peneletian

Dalam menyelesaikan penelitian ini tahapan yang disusun adalah sebagai berikut :

1. Studi Masalah

Sebagaimana disampaikkan pada latar belakang bahwasannya masalah yang diangkat adalah solusi dari menipisnya energi dan juga polusi udara sementara tingkat kebutuhan energi dunia semakin tinggi.

2. Studi Literatur

Dalam menyelesaikan masalah tersebut, dicari berbagai informasi literatur mengenai konsep yang berkaitan dengan konversi energi, efiesnsi, penanganan dan penerapannya.

3. Solusi

Solusi yang digunakan adalah penerapan sistem Pembangkit Listrik yang menggunakan Siklus Rankine Organic (ORC) dengan penggunaan refrigeran sebagai fluida kerja dan juga air panas dari Radiator sebagai sumber panasnya.

4. Pengujian

Tahapan ini adalah tahap validasi solusi yang telah direncanakan. Validasi dilakukan untuk mengetahui bahwa konsep yang sedang dikembangkan memiliki hasil yang valid dan juga dapat dijadikan sebagai acuan.

Daripada itu, pada penelitian ini dilakukan dengan cara membuat simulasi perangkat lunak (software) menggunakan Aspen Plus sebagai acuan uantuk

rancang bangun sistem pembangkit listrik yang menggunakan siklus Siklus Rankine Organik (ORC) untuk mendapatkan efisiensi sistem tersebut.

5. Analisa

Tahapan analisa adalah tahap perhitungan hasil dari pengujian sistem Organic Rankine Cycle (ORC) yang menggunakan perhitungan scara matematika maupun menggunakan perangkat lunak untuk mendapatkan efisiensi sistem tersebut. Berikut ini merupakan blok diagram untuk menganalisa efisiensi sistem ORC seperti pada Gambar 3.1.

INPUT INPU

Gambar 3.1. Blok Diagam Analisa Efisiensi Sistem Organic Rankine Cycle [22].

Untuk lebih jelas mengenai alur penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.2.

UNIT SISTEM ORC

• Pompa

• Evaporator

• Expander

• Kondensor

OUTPUT 𝑊_output

η_{𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚}

INPUT 𝑚_{𝑢𝑎𝑝−𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠}, 𝑇_{𝑢𝑎𝑝−𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠} 𝑚𝑎𝑖𝑟−𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛, 𝑇𝑎𝑖𝑟−𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛

MULAI Studi Literatur

Desain Sistem Mesin pembakaran dalam terintegrasi Organic

Rankine Cycle Simulasi ASPEN V.11

Input Data Material Properti

Run Simulasi

Kesimpulan

SELESAI

Bimbingan dosen, buku, jurnal, dll

Data Output : ● Komponen

• Temperatur (⁰C)

• Tekanan (Bar)

Analisa Data Hasil

Gagal Tidak

Gambar 3.2. Diagram alir Penelitian.

3.4 Variabel Penelitian

Variabel penelitian adalah suatu bentuk objek penelitian yang dipelajari dengan mengkondisikan bagian–bagian dari sebuah sistem untuk menjadi acuan pada saat penelitian. Variabel penelitian ini terdiri dari 3 yaitu : Variabel bebas, variabel terikat, dan variabel kontrol.

1. Variabel bebas

Variabel bebas adalah variabel yang ditentukan dan akan mempengaruhi variable terikat selama penelitian dilakukan. Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini seperti pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2. Data Input.

NO VARIABEL KETERANGAN

1 Tekanan fluida kerja keluar dari turbocharger

(Bar) 4

2 Tekanan fluida kerja keluar dari Pompa (Bar) 15

3 Fluida kerja R-141B, R245FA, &

R123 4 Temperatur Fluida pemanas masuk evaporator

(⁰C) 366

5 Temperatur Fluida pendingin masuk kondensor

(⁰C) 27

2. Variabel terikat

Variabel terikat adalah hasil yang dipengaruhi oleh variabel bebas, dimana variabel terikat adalah:

a. Efisiensi termal sistem ORC.

b. Kerja netto expander.

c. Back work ratio.

3. Variabel kontrol

variabel kontrol adalah hubungan antara variabel bebas dan variabel terikat pada penelitian ini adalah:

a. Sistem yang digunakan yaitu sistem tertutup.

b. Sistem bekerja pada kondisi steady state (keadaan tunak) dan pressure drop diabaikan.

3.5 Parameter dan Asumsi

3.5.1 Spesifikasi Data Input Pemanas Evaporator

Pemanas pada bagian evaporator digunakan pada simulasi ini adalah air panas. Dalam Melakukan simulasi pada bagian evaporator menggunakan Aspen Plus^® V.11, yaitu menggunakan air (H2O) yang di atur menjadi ±95⁰ C . Untuk sifat – sifat air seperti Tabel 3.3.

Tabel 3.3. Spesifikasi air [23].

NO INFORMASI SIFAT-SIFAT

1 Nama sistematis Air

2 Nama alternatif Aqua, dihidrogen monoksida, hydrogen hidroksida

3.5.2 Spesifikasi Fluida Kerja 1. Fluida kerja R-141b

Pada simulasi fluida kerja yang digunakan adalah R-141B. Pemilihan jenis refrigeran ini adalah melihat dari titik kritisnya yang cukup tinggi yaitu 204, 15 ⁰C dan tekanannya 42,5 bar, sehingga sangat mudah untuk menentukan temperatur untuk evaporasi. Selain itu R-141B adalah jenis pendingin yang ramah lingkungan (ODP = 0).

2. Fluida kerja R245FA

Pemilihan fluida kerja yang tepat sangat penting dalam suatu Siklus Rankine Organik. Pada simulasi ini fluida kerja yang digunakan adalah R-254FA. Pemilihan jenis refrigeran ini adalah melihat dari titik kritisnya yang cukup tinggi yaitu 154 ⁰C dan tekanannya 36,51 bar, sehingga sangat mudah untuk menentukan temperatur untuk evaporasi. Selain itu R-254FA adalah jenis pendingin yang ramah lingkungan (ODP = 0).

3. Fluida kerja R123

Fluida kerja R123 dipilih karna memiliki sifat-sifat fisik yang baik. Selain itu fluida kerja R123 juga meiliki performansi yang baik dan juga koefisien performansi yang tinggi.

Spesifikasi dari fluida kerja R141B,R245FA,& R123 dapat dilihat pada tabel 3.4.

Tabel 3.4. Spesifikasi Refrigerant R-141b,R245FA,& R123 [24].

NAMA FLUIDA KERJA R-141B R245FA R123

Massa Molekul/

3.5.3 Spesifikasi Pendingin Kondensor

Media pendingin yang digunakan untuk kondensor pada simulasi ini adalan Etilen Glikol. Etilen Glikol merupakan senyawa organic yang sudah lama digunakan sebagai bahan campuran pendingin mesin, karena titik bekunya yang sangat rendah dan titik didihnya lebih tinggi daripada air. Spesifikasi dari Etilen Glikol dapat dilihat pada Tabel 3.5.

Tabel 3.5. Spesifikasi Etilen Glikol [25].

Rumus Kimia C2H6O2

Titik Beku −12,9 °C

Titik Didih 197,3 °C

Titik Nyala 111 °C

Massa Molar 62,07 g·mol⁻¹

3.5.4 Diagram T-S Mesin Diesel dan Siklus Rankine Organik

Pada diagram T-S mesin diesel diketahui bahwasannya pada posisi 4-1 (langkah buang), mesin diesel akan mengeluarkan panas hasil pembakaran keluar silinder mesin yang kemudian akan keluar ke lingkungan, ataupun dinyatakan dengan Qout. Panas yang keluar dari mesin diesel (Qout) inilah yang kemudian akan mengalir masuk (Qin) menuju evaporator pada Siklus Rankine Organik untuk dimanfaatkan panasnya sebagai media pemanas pada evaporator untuk proses evaporasi. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Gabungan Diagram T-S Mesin Diesel dan ORC

3.6 Prosedur Simulasi

Prosedur pada simulasi ini menggunakan Aspen Plus^® V.11 dan hanya menggunakan 1 model yaitu sistem rankine organik sederhana. Prosedur simulasi ini adalah :

1. Instal Software Aspen Plus^® V.11 2. Buka Software Aspen Plus^® V.11

3. Pilih New untuk membuka halaman simulasi

4. Pilih unit yang digunakan untuk membangun sistem Organic Rankine Cycle 5. Lalu atur komponen fluida yang digunakan

6. Lalu masuk ke bagian simulations 7. Desain sistem Organic Rankine Cycle 8. Input data yang diperlukan

9. Jalankan simulasi sistem Organic Rankine Cycle

10. Export data dari hasil simulasi sistem Organic Rankine Cycle Excel

Dalam dokumen DESAIN SISTEM SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN PEMANFAATAN PANAS MESIN PEMBAKARAN DALAM SECARA KOMPUTASI (Halaman 39-0)