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.