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

Latar Belakang

Ketersediaan bahan bakar

fossil

Kebutuhan listrik

INOVASI ORGANIC RANKINE CYCLE

(ORC)

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.

Tujuan Penelitian

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

• Mengetahui karakteristik performa pada variasipendinginan kondensor dari sistem ORC (Organic Rankine cycle) dengan refrigerant R-123.

• Mengetahui pengaruh pengaruh pembebanan generator terhadap performa sistem ORC.

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.

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 penghematanenergi melalui pengembangan sistem Organic Rankine Cycle (ORC) yang memanfaatkan waste energy.

• Menjadi langkah awal pembangkitan energi listrik dari pengembangan sistem Organic Rankine cycle (ORC).

Organic Rankine Cycle

Siklus ORC merupakan siklus sedehana pengembangan siklus rankine yang terdiri dari empat komponen utama, diantaranya yaitu evaporator, turbin, kondensor, dan pompa

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).

Perhitungan ORC(Analisa Turbin)

1 Wt

2

Asumsi : 1. Steady state2. V1 = V23. z1 = z24. Qcv= 0

Perhitungan ORC(Analisa Kondensor)

2 3

Qout

Perhitungan ORC(Analisa Pompa)

W

3 4

Perhitungan ORC(Analisa Evaporator)

4 Qin 1

Perhitungan ORC(Back Work Ratio)

Perhitungan ORC(Efisiensi)

Dimana :

Maka:

Perhitungan Performa Kondensor

• Jika Cc < Ch , maka qmaks = Cc ( Th,i - Tc,i ) • Jika Cc > Ch , maka qmaks = Ch ( Th,i - Tc,i )Maka :• ε = q / qmaksMencari nilai Cmin dari nilai terkecil berikut :

atau

Kemudian dapat diketahui performa heat transfer pada kondensor dengan metode NTU

Penelitian TerdahuluSoni Edi Setiawan (2011) “Perancangan Kondensor dan

Evaporator Untuk Organik Rankine Cycle Dengan Fluida Kerja R-123 Sebagai Pembangkit Listrik”

Penelitian TerdahuluFrans 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

Penelitian TerdahuluTakahisa Yamamoto dari Department of Chemical Engineering,

Nagoya University, Chikusa-ku, Nagoya, Japan

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 baikuntuk HCFC-123. Dapat disimpulkan diatas, bahwa ORC dapat diterapkanuntuk sumber panas temperature rendah dan HCFC-123 mampumeningkatkan kinerja ORC secara signifikan.

Metodologi Penelitian

• Sistematika PenelitianSTART

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

Desain Organic Rankine Cycle

Gambar Organic Rankine Cycle

Tahap Pengambilan DataTahap 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 pendinginkondensor 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

Diagram Alir PerhitunganSTART

Data awalT1, 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 Turbinṁt = ṁ ( h1 – h2 )

Menghitung QcondenserQcond = 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 Siklusηcycle = ((ṁt-ṁp)/Qevap) x

100%

Menghitung Daya Pompaṁp = ṁ ( h4 – h3 )

Menghitung QevaporatorQevap = ṁ ( h1 – h4)

Menghitung effectivenessε = 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 TransferU = 1 / Rtot

Menghitung Cc dan Ch· Cc = ṁc x Cpc· Ch = ṁh x Cph

Menghitung Number of Transfer UnitNTU = UA / Cmin

ṁturbineQcondenser

ṁpumpQevaporator

Back Work Ratio (BWR)ηcycle

Effectiveness (ε) NTU

END

Mendapatkan Cpc dan Cph dari tabel Heat Transfer

Data Hasil Pengamatan

Pengambilan

Beban Generator

T1 (OC)

T2 &Thi (OC)

T3 (OC)

T4 (OC) Tho (OC)Tci &Tco

(OC)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

Data Hasil Perhitungan

h1 h2 h3 h4Q

(m3/s)

Qwater (m3/s)

ṁ ṁwaterWturbin (watt)

Qcond (watt)

Wpump (watt)

Qevap (watt)

BWR η Cph Cpc Ch Cc Cmin Qmax ε NTU

417,18 408,09 228,6 226,10,000

1580,00566

66780,2307

88255,6666

782097,86

519341424,1

8299576,970

62544099,0

18810,275027

5033,448817

2490,711

1574,178

32164,1266757

23677,19

164,1266757

1066,823392

38,82947

180,2770036

417,41 408,16 228,5 227,60,000

1580,00566

66780,2307

88255,6666

782134,79

131341463,4

17207,709

42543805,9

17730,097297

2974,399135

9780,711

2334,178

66164,1442623

23679,12

164,1442623

804,3068852

51,55174

180,2576885

417,49 408,16 230,2 228,50,000

1580,00566

66780,2307

88255,6666

782153,25

437341071,0

7697392,340

02543616,6

71370,182207

9314,037250

6480,711

2334,178

76164,1442623

23679,69

164,1442623

722,2347541

56,86666

180,2576885

417,57 408,16 231,2 2290,000

1580,00566

66780,2307

88255,6666

782171,71

743240840,2

8872507,734

1543519,7

4030,233793

8363,823513

8140,711

2334,178

84164,1442623

23680,14

164,1442623

656,5770492

62,20182

180,2576885

417,97 408,31231,8

4 229,70,000

1580,00566

66780,2307

88255,6666

782229,41

449540727,2

0248493,886

85543450,5

03830,221532

0913,994263

5580,711

3864,178

94164,1795618

23680,71

164,1795618

607,4643787

67,04459

180,2189321

Grafik Beban Generator vs Temperatur

20

30

40

50

60

70

80

0 65 85 105 605

Tem

pera

ture

(OC

)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Temperatur

T1

T2 dan Thi

T3

T4

Th0

Tci dan Tco

Grafik Beban Generator vs Tekanan

0

1

2

3

4

5

0 65 85 105 605

Teka

nan

(Bar

)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Tekanan

P1

P2

P3

P4

Grafik Beban Generator vs Daya Turbin

2000

2050

2100

2150

2200

2250

0 65 85 105 605

Wtu

rbin

(Wat

t)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Wturbin

Wturbin

Grafik Beban Generator vs Qcondenser

40200

40400

40600

40800

41000

41200

41400

41600

0 65 85 105 605

Qco

nden

ser (

wat

t)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Qcondenser

Qcond

Grafik Beban Generator vs Daya Pompa

0

100

200

300

400

500

600

65 85 105 605

Wpu

mp

(wat

t)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Wpump

Wpump

Grafik Beban Generator vs Qevaporator

43000

43200

43400

43600

43800

44000

44200

0 65 85 105 605

Qev

apor

ator

(wat

t)

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Qevaporator

Qevaporator

Grafik Beban Generator vs BWR

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

65 85 105 605

BW

R

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs BWR

BWR

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 (watt)

Beban Generator vs Efficiency (η)

Efficiency

Grafik Beban Generator vs Efectiveness Condenser

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 65 85 105 605

ε

Beban Generator (watt)

Beban Generator vs Effectiveness (ε)

Effectiveness

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 (watt)

Beban Generator vs NTU

NTU

Video

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.

Saran• Sebaiknya pada penelitian ke depan perlu dilakukan penambahan

komponen atau desain untuk Organic Rankine Cycle (ORC) agarbisa menunjang keselamatan, peningkatan performa silkus, dankecepatan untuk mencapai kondisi tertentu.

• Sebaiknya memperhatikan ketahanan bahan terhadapbahan(refrigerant).

• Sebaiknya diperlukan penggunaan cooling tower untuk menunjangperforma kondenser.

• Perlengkapan safety perlu diperhatikan lebih, agar mempermudahkerja dan melindungi peneliti dari ancaman keselamatan kerja. Halini sistem ORC sering kali menggunakan bahan organic yang cukupberbahaya bagi kesehatan.

• Untuk mendapatkan data lebih akurat sebaiknya dipasangflowmeter yang sesuai dengan jenis refrigerant.