STUDI EKSPERIMEN PENGARUH PEMBEBANAN GENERATOR PADA PERFORMA SISTEM ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC)

(1)

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH PEMBEBANAN GENERATOR PADA

PERFORMA SISTEM ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC)

CHRISNANDA ANGGRADIAR

(2109 106 036)

Dosen Pembimbing

Ary Bachtiar Khrisna Putra, ST, MT, Ph.D

(2)

Latar Belakang

Ketersediaan bahan bakar

fossil

Kebutuhan listrik

INOVASI ORGANIC

RANKINE CYCLE

(ORC)

(3)

Rumusan Masalah

• Bagaimana mendesain suatu sistem yang tepat untuk Organic Rankine Cycle (ORC) dengan

menggunakan analisa termodinamika.

• Bagaimana karakteristik dari sistem ORC

(Organic Rankine Cycle) dengan refrigerant R- 123 .

• Bagaimana pengaruh pembebanan generator

terhadap performa sistem ORC.

(4)

Tujuan Penelitian

• Mengetahui desain yang tepat untuk ORC (Organic Rankine Cycle) dengan analisa termodinamika.

• Mengetahui karakteristik performa pada variasi pendinginan kondensor dari sistem ORC

(Organic Rankine cycle) dengan refrigerant R- 123.

• Mengetahui pengaruh pengaruh pembebanan

generator terhadap performa sistem ORC.

(5)

Batasan Masalah

• Siklus diasumsikan berlangsung dalam keadaan tunak (steady state).

• Hal-hal yang berhubungan dengan analisa kimiawi tidak ikut dibahas.

• Perpindahan panas dengan cara radiasi diabaikan.

• Perubahan energi kinetik dan potensial sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

• Tidak memperhitungkan rugi-rugi yang terjadi di sepanjang pipa.

• Tidak ada kebocoran dalam sistem.

• Fluida kerja yang digunakan adalah R-123.

(6)

Manfaat Penelitian

• Dapat memberikan solusi tentang teknologi sistem referigerasi yang hemat energi.

• Dapat memberikan pengetahuan dan gambaran mengenai sitem Organic Rankine Cycle (ORC) serta karakteristiknya kepada para pembaca.

• Menjadi langkah awal peluang penghematan energi melalui pengembangan sistem Organic

Rankine Cycle (ORC) yang memanfaatkan waste energy.

• Menjadi langkah awal pembangkitan energi listrik

dari pengembangan sistem Organic Rankine cycle

(ORC).

(7)

Organic Rankine Cycle

Siklus ORC

merupakan siklus sedehana

pengembangan siklus rankine yang terdiri

dari empat komponen

utama, diantaranya

yaitu evaporator,

turbin, kondensor,

dan pompa

(8)

Organic Rankine Cycle

Diagram T-s diagram Organic Rankine Cycle

• Proses 1-2: Terjadi proses ekspansi isentropik pada fluida yang melalui turbin dari keadaan superheated menuju tekanan kondenser.

• Proses 2-3: Proses perpindahan panas dari fluida kerja yang mengalir dengan tekanan konstan (isobarik) pada kondenser menuju saturated liquid pada keadaan 3.

• Proses 3-4: Proses kompresi isentropic pada pompa dimana dari keadaan saturated liquid menuju keadaan compression liquid.

• Proses 4-1: Proses perpindahan panas ke fluida kerja dari evaporator dengan

tekanan konstan (isobarik).

(9)

Perhitungan ORC (Analisa Turbin)

1 Wt

2 Asumsi : 1. Steady state

2. V

₁

= V

₂

3. z

₁

= z

₂

4. Q

_cv

= 0

(10)

Perhitungan ORC (Analisa Kondensor)

2 3

Qout

(11)

Perhitungan ORC (Analisa Pompa)

W

3 4

(12)

Perhitungan ORC (Analisa Evaporator)

4 Qin 1

(13)

Perhitungan ORC

(Back Work Ratio)

(14)

Perhitungan ORC (Efisiensi)

Dimana :

Maka:

(15)

Perhitungan Performa Kondensor

• Jika C _c < C _h , maka q _maks = C _c ( T _h,i - T _c,i )

• Jika C _c > C _h , maka q _maks = C _h ( T _h,i - T _c,i ) Maka :

• ε = q / q _maks

Mencari nilai Cmin dari nilai terkecil berikut :

atau

Kemudian dapat diketahui performa heat transfer pada kondensor dengan metode NTU

(16)

Penelitian Terdahulu

Soni Edi Setiawan (2011) “Perancangan Kondensor dan

Evaporator Untuk Organik Rankine Cycle Dengan Fluida Kerja

R-123 Sebagai Pembangkit Listrik”

(17)

Penelitian Terdahulu

Frans Aprilio (2010) “Desain evaporator dan Pemilihan Turbin Uap pada Organic Rankine Cycle dengan fluida Kerja R-134A“

Pada penelitian ini evaporator yang digunakan adalah tipe compact heat exchanger. Dari penelitian ini didapatkan hasil berupa

karakteristik dari evaporator dimana semakin besar laju aliran masa maka nilai koefisien konveksi dan nilai luasan perpindahan panas semakin besar.

Grafik Pengaruh Laju Aliran Massa Terhadap Penurunan

Tekanan

(18)

Penelitian Terdahulu

Takahisa Yamamoto dari Department of Chemical Engineering,

Nagoya University, Chikusa-ku, Nagoya, Japan

(19)

Penelitian Terdahulu

Efisiensi Efektif Turbin Mikro (a) HCFC-123, (b) Air

• Dari hasil pengujian, HCFC-123 meningkatkan kinerja siklus secara drastis.

Turbin yang digunakan dalam penelitian ini memberikan kinerja yang baik

untuk HCFC-123. Dapat disimpulkan diatas, bahwa ORC dapat diterapkan

untuk sumber panas temperature rendah dan HCFC-123 mampu

meningkatkan kinerja ORC secara signifikan.

(20)

Metodologi Penelitian

• Sistematika Penelitian

^START

Studi Literatur

Pemilihan Bahan

Pembelian Bahan

Pembuatan Komponen Unit Organic Rankine Cycle (ORC)

Assembly Komponen Organic Rankine Cycle (ORC)

Pengujian dan Pengambilan Data

Pengolahan dan Analisa Data

Kesimpulan

END Pembuatan Model

Termodinamika

Penentuan Posisi Alat Ukur

(21)

Desain Organic Rankine Cycle

(22)

Gambar Organic Rankine Cycle

(23)

Tahap Pengambilan Data

Tahap persiapan

• Mempersiapkan dan memastikan peralatan yang akan dipakai berada dalam kondisi baik, yaitu thermocouple, pressure gauge, dan flowmeter.

• Pastikan belt antara turbin dan generator telah terpasang dengan baik.

• Memastikan bahwa pressure gauge dan termokople telah terpasang dengan baik pada titik-titik yang telah ditentukan.

• Memeriksa instalasi terhadap kebocoran yang mungkin terjadi.

• Memastikan semua valve dalam keadaan terbuka.

• Menghidupkan gear pump, water pump, dan burner.

• Tunggu hingga steady.

Tahap pengukuran dan pengambilan data

• Set awal valve setelah gear pump dan pada air pendingin kondensor dalam keadaan fully open.

• Ambil data tekanan dan temperatur pada 4 titik tersebut, serta flowrate yang terjadi.

• Atur pada flowrate yang diinginkan

• Dilakukan pembebanan pada generator, hingga generator tidak lagi dapat berputar dengan penyalaan lampu.

Tahap Akhir

• Mematikan gear pump, water pump, dan burner, serta tutup semua valve.

• Mentransfer data-data dari hasil pengamatan ke komputer

START

Studi Literatur

Persiapan alat dan lembar data eksperimen

Menghidupkan gear pump, water pump, dan burner Membuka semua valve (fully open)

END

Melakukan pembebanan pada generator dengan penyalaan lampu hingga generator tidak lagi berputar

Pengambilan data temperatur (T1, T2, T3, T4), tekanan (P1, P2, P3, P4), dan flowrate

Apakah putaran generator sudah berhenti ?

Ya Tidak

Atur pada flowrate yang diimginkan

(24)

Diagram Alir Perhitungan

START

Data awal T1, T2 / Thi, T3, T4, Tho, P1, P2, P3, P4, Q, Tci, Tco

Mendapatkan enthalpy (h1, h2, h3, h4) dari tabel

properties R-123

Menghitung mass rate (ṁ) ṁ = ρ x Q

Menghitung Daya Turbin ṁt = ṁ ( h1 – h2 )

Menghitung Qcondenser Qcond = ṁ ( h2 – h3)

Menghitung Back Work Ratio (BWR) BWR = (h4-h3) / (h1-h2)

Menghitung Qmax

· Cc < Ch à Qmax = Cc (Thi - Tci)

· Cc > Ch à Qmax = Ch (Thi - Tci)

Menghitung Efisiensi Siklus ηcycle = ((ṁt-ṁp)/Qevap) x

100%

Menghitung Daya Pompa ṁp = ṁ ( h4 – h3 )

Menghitung Qevaporator Qevap = ṁ ( h1 – h4)

Menghitung effectiveness ε = Qcond / Qmax

Menghitung nilai heat transfer area (A)

Mendapatkan Cmin dari nilai terkecil antara Cc dan Ch

· Cc = ṁc x Cpc

· Ch = ṁh x Cph

Menghitung Overall Heat Transfer U = 1 / Rtot

Menghitung Cc dan Ch

· Cc = ṁc x Cpc

· Ch = ṁh x Cph

Menghitung Number of Transfer Unit NTU = UA / Cmin

ṁturbine Qcondenser

ṁpump Qevaporator Back Work Ratio (BWR)

ηcycle Effectiveness (ε)

NTU

END

Mendapatkan Cpc dan Cph dari tabel Heat Transfer

(25)

Data Hasil Pengamatan

Pengam bilan

Beban Generator

T1 (

^O

C)

T2 &Thi (

^O

C)

T3

(

^O

C) T4 (

^O

C) Tho (

^O

C) Tci &Tco

(

^O

C) P1 (Bar) P2 (Bar) P3 (Bar) P4 (Bar) Q (GPM) Qwater (L/min)

1 0 63,2 43,1 30,2 27,7 32,3 36,6 3,5 0,7 0,75 3,5 2,5 340

2 65 63,5 43,2 31,1 29,2 33,1 38,3 3,5 0,7 0,75 3,5 2,5 340

3 85 63,6 43,2 31,8 30,1 33,6 38,8 3,5 0,7 0,75 3,5 2,5 340

4 105 63,7 43,2 32,8 30,6 34,1 39,2 3,5 0,7 0,75 3,5 2,5 340

5 605 64,2 43,4 33,4 31,3 34,4 39,7 3,5 0,7 0,75 3,5 2,5 340

(26)

Data Hasil Perhitungan

h1 h2 h3 h4

Q (m3/

s)

Qwater

(m3/s) ṁ ṁwaterWturbin (watt)

Qcond (watt)

Wpump (watt)

Qevap

(watt) BWR η Cph Cpc Ch Cc Cmin Qmax ε NTU

417,18 408,09 228,6 226,1 0,000

158

0,00566 6678

0,2307 8825

5,6666 78

2097,86 5193

41424,1 8299

576,970 625

44099,0 1881

0,275027 503

3,448817 249

0,711 157

4,178 32

164,12 66757

2367 7,19

164,12 66757

1066,8 23392

38,82 947

180,27 70036

417,41 408,16 228,5 227,6 0,000

158

0,00566 6678

0,2307 8825

5,6666 78

2134,79 1313

41463,4 17

207,709 425

43805,9 1773

0,097297 297

4,399135 978

0,711 233

4,178 66

164,14 42623

2367 9,12

164,14 42623

804,30 68852

51,55 174

180,25 76885

417,49 408,16 230,2 228,5 0,000

158

0,00566 6678

0,2307 8825

5,6666 78

2153,25 4373

41071,0 7697

392,340 025

43616,6 7137

0,182207 931

4,037250 648

0,711 233

4,178 76

164,14 42623

2367 9,69

164,14 42623

722,23 47541

56,86 666

180,25 76885

417,57 408,16 231,2 229 0,000

158

0,00566 6678

0,2307 8825

5,6666 78

2171,71 7432

40840,2 8872

507,734 15

43519,7 403

0,233793 836

3,823513 814

0,711 233

4,178 84

164,14 42623

2368 0,14

164,14 42623

656,57 70492

62,20 182

180,25 76885

417,97 408,31 231,8

4 229,7 0,000

158

0,00566 6678

0,2307 8825

5,6666 78

2229,41 4495

40727,2 0248

493,886 855

43450,5 0383

0,221532 091

3,994263 558

0,711 386

4,178 94

164,17 95618

2368 0,71

164,17 95618

607,46 43787

67,04 459

180,21 89321

(27)

Grafik Beban Generator vs Temperatur

20 30 40 50 60 70 80

0 65 85 105 605

Temperature (OC)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Temperatur

T1

T2 dan Thi T3

T4 Th0

Tci dan Tco

(28)

Grafik Beban Generator vs Tekanan

0 1 2 3 4 5

0 65 85 105 605

Tekanan (Bar)

Beban Generator vs Tekanan

P1 P2 P3 P4

(29)

Grafik Beban Generator vs Daya Turbin

2000 2050 2100 2150 2200 2250

0 65 85 105 605

Wturbin (Watt)

Beban Generator vs Wturbin

Wturbin

(30)

Grafik Beban Generator vs Qcondenser

40200 40400 40600 40800 41000 41200 41400 41600

0 65 85 105 605

Qcondenser (watt)

Beban Generator vs Qcondenser

Qcond

(31)

Grafik Beban Generator vs Daya Pompa

0 100 200 300 400 500 600

65 85 105 605

Wpump (watt)

Beban Generator vs Wpump

Wpump

(32)

Grafik Beban Generator vs Qevaporator

43000 43200 43400 43600 43800 44000 44200

0 65 85 105 605

Qevaporator (watt)

Beban Generator vs Qevaporator

Qevaporator

(33)

Grafik Beban Generator vs BWR

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

65 85 105 605

BWR

Beban Generator vs BWR

BWR

(34)

Grafik Beban Generator vs Efisiensi Siklus

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0 65 85 105 605

η

Beban Generator vs Efficiency (η)

Efficiency

(35)

Grafik Beban Generator vs Efectiveness Condenser

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 65 85 105 605

ε

Beban Generator vs Effectiveness (ε)

Effectiveness

(36)

Grafik Beban Generator vs NTU

180,18 180,19 180,2 180,21 180,22 180,23 180,24 180,25 180,26 180,27 180,28

0 65 85 105 605

NTU

Beban Generator vs NTU

NTU

(37)

Video

(38)

Kesimpulan

• Data data sebagai berikut :

– Daya turbin tertinggi = 2229,414495 watt pada beban 605 watt.

– Laju panas kondenser tertinggi = 41463,417 watt pada beban 65 watt.

– Daya pompa tertinggi = 576,970625 watt pada beban 0 watt

– Laju panas evaporator tertinggi = 44099,01881 watt pada beban 0 watt.

– BWR tertinggi = 0,275027503 pada beban 0 watt.

– Efisiensi tertinggi = 4,399135978 pada beban 65 watt.

– Efectiveness kondenser tertinggi = 67,04459 pada beban 605 watt.

– NTU tertinggi = 180,2770036 pada beban 0 watt.

• Sistem Organic Rankine Cycle dapat bekerja dan menghasilkan daya listrik.

• Penggunaan kondenser bersama receiver tidak memberikan pengaruh

yang maksimal dalam pencairan uap setelah keluar turbin.

(39)

Saran

• Sebaiknya pada penelitian ke depan perlu dilakukan penambahan komponen atau desain untuk Organic Rankine Cycle (ORC) agar bisa menunjang keselamatan, peningkatan performa silkus, dan kecepatan untuk mencapai kondisi tertentu.

• Sebaiknya memperhatikan ketahanan bahan terhadap bahan(refrigerant).

• Sebaiknya diperlukan penggunaan cooling tower untuk menunjang performa kondenser.

• Perlengkapan safety perlu diperhatikan lebih, agar mempermudah kerja dan melindungi peneliti dari ancaman keselamatan kerja. Hal ini sistem ORC sering kali menggunakan bahan organic yang cukup berbahaya bagi kesehatan.

• Untuk mendapatkan data lebih akurat sebaiknya dipasang

flowmeter yang sesuai dengan jenis refrigerant.

(40)