PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR DALAM ORGANIC RANKINE CYCLE UNTUK MEMANFAATKAN WASTE HEAT RECOVERY DARI BLOWDOWN REBUSAN(STERILIZER) SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK 100 KW PADA PABRIK KELAPA SAWIT SUGIARDI Program Sarjana S1 Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya E-mail:
[email protected] Abstrak Pemakaian energi listrik dan energi panas terus meningkat, demikian juga perkembangannya, bukan hanya untuk kebutuhan proses manufaktur, tetapi juga untuk operasi-operasi pendukung. Khususnya pada pabrik kelapa sawit sangat banyak ditemui energi yang tidak termanfaatkan dan terbuang begitu saja. Energi tersebut dapat dipergunakan seoptimal mungkin dengan mempergunakan beberapa peralatan. Pengoptimalan penggunaan energi yang ada dipabrik kelapa sawit dengan menggunakan Organic Rankine Cycle akan mengurangi penguapan ke atmosfer dan mengurangi polusi udara atmosfer. Uap panas dari rebusan tidak pernah menyentuh turbin dalam Organic Rankine Cycle. Uap panas dari rebusan digunakan untuk memanaskan refrigerant pada heat exchanger. refrigerant kemudian menjadi panas dan menghasilkan uap berupa flash. Uap yang dihasilkan di heat exchanger tadi lalu dialirkan untuk memutar turbin dan selanjutnya menggerakkan generator untuk menghasilkan sumber daya listrik. Uap panas yang dihasilkan di heat exchanger inilah yang disebut sebagai Working fluid. Organic Rankine Cycle ini sebetulnya merupakan sistem tertutup. Jadi tidak ada yang dilepas ke atmosfer. Perancangan dilakukan untuk mendapatkan dimensi Heat exchanger: panjang, jumlah tube, jumlah phase, bentuk susunan, diameter tube, diameter shell, dengan memanfaatkan steam buang dari rebusan (sterilizer). Dari desain ini didapatkan dimensi alat penukar kalor Tipe Shell and Tube Liquid Chiller yang sesuai dengan alat penukar kalor produk Carier yang digunakan pada Organic Rankine Cycle Geothermal di Alaska. Kata kunci: working fluid, organic rankine cycle, heat exchanger. 1. Latar Belakang Pemakaian energi listrik dan energi panas terus meningkat, demikian juga perkembangannya, bukan hanya untuk kebutuhan proses manufaktur, tetapi juga untuk operasi-operasi pendukung. Khususnya pada pabrik kelapa sawit sangat banyak ditemui energi yang tidak termanfaatkan dan terbuang begitu saja. Energi tersebut dapat dipergunakan seoptimal mungkin dengan mempergunakan beberapa peralatan. Pengoptimalan penggunaan energi yang ada dipabrik kelapa sawit akan mengurangi penguapan ke atmosfer dan mengurangi polusi udara atmosfer. Tabel 1. Potensi panas pada pabrik kelapa sawit: Sumber Daya No. 1 2 3
Stasiun
Rebusan Kempa(Press) Minyakan a. Sand Trap b. Crude Oil Tank c. Continuous Settling Tank d. Oil Tank e. Vakum Dryer f. Fat Slug Tank g. Tanki Minyak Kutipan h. Tanki Penimbunan Minyak Bijian 4 a. Kernel Silo Boiler 5 a. Flue Gas Total 11 Lokasi
Panas Masuk
Panas Keluar
Panas Yang Dibutuhkan Stasiun
(°C) 135-140 135-140
(°C) 127.5 -
130-140 90-98
135-140 135-140 135-140 135-140 135-140 135-140 135-140 135-140
-
90-95 90-95 95 90-95 90-95 90-95 75 50-60
135-140
70-90
60,70,80
(°C)
143 Rata-rata Panas Terbuang
70-143
Tempat perebusan (sterilizer) adalah bejana uap bertekanan yang digunakan untuk merebus tandan buah segar dengan uap (steam). Steam yang digunakan adalah saturated steam dengan tekanan 2,8-3,0 kg/cm2 dan pada suhu 135◦C sudah cukup untuk membunuh enzim lipase (penyebab hidrolisa minyak). Proses perebusan dilakukan dengan sistem 3 puncak (triple peak) dimana puncak pertama dan kedua bertujuan untuk memberikan tekanan kejut sehingga buah lepas dari tandan serta membuang udara direbusan agar pemanasan pada masa tahan optimum(suhunya tercapai) puncak ketiga bertujuan untuk mematangkan buah dan melunakkan daging buah. Waktu yang digunakan untuk perebusan adalah 90 menit, sedangkan waktu untuk satu siklus perebusan 110-120 menit. Tahapan – Tahapan yang dilakukan dalam perebusan triple peak : 1. Persiapan perebusan Setelah lori-kori dimasukkan kedalam rebusan, pintu ditutup, kran-kran inlet steam, exhaust, dan kondensat ditutup.
2. Deaerasi Inlet steam dibuka dan kran kondensat dibuka untuk membuang udara-udara yang ada didalam rebusan selama 3-5 menit. 3. Puncak I Kran kondensat ditutup, inlet steam dibuka hingga mencapai tekanan 2,3 kg/cm2(pada tekanan pressure gage), setelah tekanan tercapai, kran inlet steam ditutup dan kran kondensat dibuka hingga tekanan mencapai 0 kg/cm2. 4. Puncak II Kran kondensat ditutup, inlet steam dibuka hingga mencapai tekanan 2,5 kg/cm2(pada tekanan pressure gage), setelah tekanan tercapai, kran inlet steam ditutup dan kran kondensat dibuka hingga tekanan mencapai 0 kg/cm2. 5. Puncak III Kran kondensat ditutup, inlet steam dibuka hingga mencapai tekanan 2,8-3,0 kg/cm2(pada tekanan pressure gage), setelah tekanan tercapai, semua kran ditutup dan ditahan selama 45 menit, kemudian kran exhaust dibuka dan setelah mencapai tekanan 1,0 kg/cm2, kran kondensat dibuka hingga tekanan mencapai 0 kg/cm2. 6. Pengeluaran lori-kori.
Dalam usaha penghematan energi, juga perlu dikembangkan pemanfaatan gas buang dari pabrik kelapa sawit sebagai pembangkit listrik, dengan menggunakan alat penukar panas(evaporator) sebagai pemindah panas pada gas buang. Namun, untuk mencapai temperatur gas buang pada unjung cerobong gas buang 130°C, dengan ketinggian cerobong 15 meter dan diameter cerobong 1,3 meter, untuk mencegah terjadinya korosi pada pipa gas buang akibat sulfur pada gas buang yang terkondensasi, maka panas yang diserap oleh evaporator tidak boleh terlalu besar. Juga dikhawatirkan terjadi penyumbatan pada alat penukar panas yang digunakan sebagai evaporator akibat ash, maka dalam analisa ini penulis tidak menganalisa pemanfaatan gas buang sebagai waste energy recovery. Untuk memanfaatkan energi yang terbuang (waste energi recovery), penulis tertarik untuk merancang Organic Rankine Cycle pada pabrik kelapa sawit, alat yang serupa dengan Binary cycle power plant (BCCP). Pada BCCP steam dari blowdown sterilizer tidak pernah menyentuh turbin. Steam dari blowdown sterilizer digunakan untuk memanaskan apa yang disebut dengan working fluid pada heat exchanger. Working fluid kemudian menjadi panas dan menghasilkan uap berupa flash. Uap yang dihasilkan di heat exchanger tadi lalu dialirkan untuk memutar turbin dan selanjutnya menggerakkan generator untuk menghasilkan sumber daya listrik. Uap panas yang dihasilkan di heat exchanger inilah yang disebut sebagai scondary (binary) fluid. Binary cycle power plant ini sebetulnya merupakan sistem tertutup. Jadi tidak ada yang dilepas ke atmosfer. Keunggulan dari BCCP adalah dapat dioperasikan pada suhu rendah yaitu 90-175◦C. jadi pembangkit listrik tenaga BCCP diharapkan dapat digunakan pada pabrik-pabrik kelapa sawit dimasa yang akan datang. II. Tinjauan Pustaka 2.1 Perancangan Sistem
Gambar 1. Kurva perebusan 3 puncak triple peak (sumber PT.Socfindo, Perk. SeumanyamTripa, NAD) Dari tahapan tersebut diatas, setelah tekanan puncak I dan II tercapai, maka dilakukan Pembukaan kran kondensat, dan setelah tekanan puncak III tercapai, maka dilakukan pembukaan kran exhaust dan kondensat hingga tekanan mencapai 0 kg/cm2. steam yang bercampur minyak dialirkan melalui pipa blowdown, dimana temperatur nya masih tinggi 127.5◦C.
Sistem yang dirancang adalah untuk menangkap atau memanfatkan energi panas yang terbuang menjadi energi kinetik turbin. Sistem ini dirancang dengan mengaplikasikan prinsip thermodinamik dan perpindahan panas. Sesuai dengan prinsip energi, bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan akan tetapi energi dapat dirubah, baik dari energi panas menjadi energi kinetik kemudian energi kinetik tersebut diaplikasikan untuk memutar generator.
sesuai dengan tekanan yang di perlukan oleh evaporator sebelum masuk kembali ke evaporator. III. Metodologi
2.2 Siklus Rankine Ideal Siklus rankine ideal merupakan siklus rankine sederhana. Komponen peralatannya meliputi, Boiler, Turbin, kondensor, pompa. Hal ini dapat dilihat dalam bagan diagram alir siklus rankine ideal pada gambar 2.
3.1 Tempat dan Waktu Peninjauan terhadap data lapangan dilaksanakan pada PT. Socfindo Perkebunan Seumanyam Tripa, NAD. Dimulai sejak waktu pengesahan oleh dosen pembimbing disetujui, perancangan epavorator dan kondensor dengan menggunakan alat penukar panas jenis shell and tube, working fluid menggunakan refrigerant R-134A serta pengolahan data mempergunakan program Microsoft office excel. 3.2 Sistem Sistem yang akan dirancang terdiri dari:
Gambar 2. Diagram alir siklus rankine ideal 2.3 Organic Rankine Cycle Dengan menggunakan bahan organic yang memiliki titik didih yang rendah, ORC dapat digunakan untuk mengekstrak energi dari sumber panas bertemperatur rendah. Siklus dasar ORC ditunjukkan pada gambar 3.
3.3 Pertimbangan untuk menentukan dimensi alat penukar panas Untuk menentukan pemilihan dimensi alat penukar panas, sebaiknya mempertimbangkan hal-hal sebagai berikut:
T1, P1
Evaporator
1. Evaporator jenis shell and tube type liquid chiller 2. Kondensor jenis shell and tube type liquid chiller 3. Pompa 4. Turbin
T4, P4
Turbin T2, P2
Pompa T3, P3
Kondensor
Gambar 3. Sistem komponen ORC. ORC merupakan suatu siklus uap dimana siklus ini menggunakan fluida kerja organik (refrigerant), dimana siklus sederhana terdiri dari empat komponen utama yang terdiri dari Evaporator yang berfungsi untuk mengevaporasi fluida organik dari liquid menjadi uap dipanaskan lanjut sebelum masuk kedalam turbin. Turbin berfungsi untuk mengekspansi atau menurunkan tekanan dari fluida organik dan yang akan menghasilkan energi listrik bila di sambungkan ke generator, Kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan uap dari fluida kerja organik menjadi cairan dimana pada proses ini berlangsung pada tekanan dan temperatur konstan dan Pompa berfungsi untuk menaikkan tekanan dari fluida organik
1. Pembuatan alat disesuaikan bahan yang dipasaran dengan biaya terjangkau 2. Temperatur refrigerant R-134A keluar dari alat penukar panas mencapai 80°C 3. Pemakaian biaya pabrik dapat dihemat dari biaya sebelumnya 3.4 Bagan perancangan pada rebusan(sterilizer) Langkah-langkah kerja sistem yang akan didesain pada stasiun rebusan didalam pabrik kelapa sawit adalah: Langkah 1: Saturated steam yang bercampur minyak dialirkan melalui pipa blow down dari sterilizer masuk ke evaporator pada temperatur 127.5◦C setelah melewati evaporator air panas dimasukkan ke Effluent (kolam pengutipan minyak sebelum dialirkan kelimbah). Langkah 2: Tabung evaporator disisi tube diisi dengan fluida R-134A. Temperatur Saturated steam yang bercampur minyak yang dikandung cukup untuk mendidihkan
fluida refrigerant R-134A, karena memiliki titik didih yang lebih rendah dari air. Pada evaporator refrigeran R134A mulai mendidih dan membentuk uap. Evaporator merupakan alat penukar panas. kedua fuida baik Saturated steam yang bercampur minyak dan refrigerant tidak pernah berkontak langsung. Langkah 3: Pada saat start-up uap refigerant belum masuk turbin tapi dialirkan langsung menuju kondenser melalui katup bypass hingga suatu ketika uap dianggap cukup, katup bypass ditutup dan uap refrigeran mulai masuk ke turbin dan menggerakkan turbin. Langkah 4: Uap refrigerant diexspansi pada turbin sehingga sudu turbin berputar. Poros turbin dihubungkan langsung dengan poros generator yang berputar untuk menghasilkan arus listrik. Langkah 6: Air pendingin pada kondenser mengkondensasi fase uap refrigerant hingga mencapai cair jenuh. Jenis penukar panas jenis tabung dan pipa (shell and tube) dimana air pendingin mengalir pada pipa dan refrigerant pada tabung. Seperti pada evaporator kedua fluida tidak pernah berkontak langsung. Langkah 7: fluida refrigerant dikompresikan dengan pompa hingga refrigerant mencapai tekanan evaporator sehingga siklus dimulai lagi. Untuk sketsa stasiun rebusan (Sterilizer) dapat dilihat pada gambar 3.3 berikut:
3.7 Analisa Rancangan Langkah-langkah yang akan dilakukan pada analisa perancangan adalah merancang kondensor dan evaporator. Data-data yang akan dihitung adalah sebagai berikut: 1. Panjang alat penukar kalor pada organic rankine Cycle. 2. Tebal tabung shell pada alat penukar kalor IV. Analisa Data dan Perhitungan 4.1
Analisa Sistem Organic Rankine Cycle
Data-data yang akan digunakan sebagai perancangan kondensor dan evaporator adalah data pada saat perencanaan awal dari desain utama Organic Rankine Cycle dapat dilihat pada gambar 5 dan 6 Datadata tersebut ditentukan dari masing-masing titik (check point) pada sistem organic rankine cycle.
Gambar 5. Skema sistem organic rankine cycle (Chena geothermal,Alaska-Carier Corp.)
Gambar 4. Sketsa Bejana Sterilizer
Dengan pembatasan titik penguapan air sebagai fluida pemanas dari evaporator sehingga di dapatkan tekanan kerja yang sesuai untuk sistem ini adalah 20 bar pada evaporator dan 7 bar pada kondensor.
P1=20bar,T1=80⁰C
POMPA W pompa = m (h4 − h3 ) = 12949,64 kg
Evaporator P4=P1,T4=T3
Turbin
h
(237,4 − 236) kJ
1h kg 3600 s
= 5,0359kW
P2=7 bar
P3=P2, T3=26⁰C
Kondenser
Pompa
TURBIN (h1 − h2 ) = 12949,64 kg W turbin = m
h
(445,8 − 416,6)
1h 3600 s
= 105,036kW
EVAPORATOR (h1 − h4 ) = 12949,64 kg Q in = m
h
(445,8 − 237,4) kJ
1h kg 3600 s
(416,6 − 236) kJ
1h kg 3600 s
= 749,6403 kW
KONDENSOR Q out = m (h2 − h3 ) = 12949,64 kg = 649,64 kW
Gambar 6. Siklus ORC dengan Fluida Kerja R-134a Dari desain utama organic rankine cycle diatas maka melalui tabel properties untuk refrigeran R-134a didapatkan properties untuk masing-masing tingkat keadaan seperti pada tabel 2. Tabel 2. Propertis R-134a pada masing-masing tingkat keadaan (Refprop 6.01)
h
BWR W p BWR =
W t
m = h4 − h3 = 237,4 − 236 = 0,0479 h1 − h2 445,8 − 416,6 m
EFISIENSI
W t
η=
− m Q in
W p
m = (h1 − h2 ) − (h4 − h3 ) x100% h1 − h4
m (445,8 − 416,6) − (237,4 − 236) x100% = 445,8 − 237,4 = 13,34% Dari data awal diatas dilakukan perhitungan laju alir massa dari refrigeran dan daya yang diperlukan dari masing-masing komponen sebagai berikut. 4.2
Perancangan Kondensor
MASS FLOW RATE Analisa Termodinamika
W siklus = W turbin − W pompa = m [(h1 − h2 ) − (h4 − h3 )] m =
100 KW 3600 s W siklus h = (h1 − h2 ) − (h4 − h3 ) (445,8 − 416,6) − (237,4 − 236)
= 12949,64 kg = 3,597 kg
s
h
Analisa heat balance pada gambar 7 digunakan untuk menentukan temperatur keluar fluida pendingin. Batasan yang ada adalah temperatur fluida pendingin pada T x1 dan T x2 tidak boleh melebihi temperatur refrigeran.
4.3 Perancangan Evaporator Analisa Termodinamika Analisa heat balance pada gambar 10 digunakan untuk menentukan temperatur keluar fluida pemanas (hot-water).
Gambar 7. Heat balance pada kondensor
Perancangan untuk Sisi Pendingin (Tube) Sisi pendingin pada kondensor adalah pada bagian tube seperti ditunjukan gambar 8 dimana air pendingin ini nantinya disirkulasikan dengan pompa yang mempunyai kapasitas 46721,21 liter/menit. Gambar 10. Heat balance pada evaporator Menentukan nilai T x1 =125˚C, T x2 =95˚C dan T x3 =50˚C sebagai acuan menentukan nilai laju alir masa pada fluida hot-water. Namun untuk mendapatkan laju alir masa Jika diasumsikan fluida panas keluar dari evaporator adalah 80˚C Perancangan untuk Sisi Pemanas (Tube) Gambar 8. Bagian sisi air pendingin dari kondensor Perancangan Sisi Refrigeran (Shell)
Sisi pemanas pada evaporator adalah pada bagian tube seperti ditunjukan gambar 11 dimana steam panas nantinya disirkulasikan melalui sisi tube.
Pada sisi refrigeran ini dibagi kedalam tiga zona (region) yaitu zona subcooled, zona condensasi dan zona superheated. Sisi refrigeran ini berada pada bagian shell dari kondensor seperti ditunjukan oleh gambar 9. Refrigeran pada sisi condensor
Gambar 11. Bagian sisi hot water dari evaporator Perancangan Sisi Refrigeran (Shell)
Gambar 9. Bagian sisi refrigeran dari kondensor Dari analisa perhitungan diatas diperoleh panjang kondensor 7,03 meter
Pada sisi refrigeran ini dibagi kedalam tiga zona (region) yaitu zona subcooled, zona evaporasi dan zona superheated. Sisi refrigeran ini berada pada bagian shell dari evaporator seperti ditunjukan oleh gambar 12.
dan Kondensor adalah Shell and Tube Type Liquid Chiller. 2. Untuk Evaporator dan Kondensor sisi shell adalah Refrigeran dan sisi tube adalah air. 5.2 Saran Beberapa saran yang dapat disampaikan setelah melaksanakan perancangan kondensor dan evaporator antara lain 1. Gambar 12. Bagian sisi refrigeran dari evaporator Dari analisa perhitungan diperoleh panjang evaporator 3,76 meter Perancangan Tabung Shell Refrigeran R-134a merupakan kelompok refrigeran yang tergolong dalam grup HFC (Hidrofluorocarbon) pada temperature 80˚C refrigeran tersebut memiliki tekanan uap jenuh yang tinggi, terutama pada perancangan organic rankine cycle ini direncanakan tekanan kerjanya mencapai 20 bar atau 2 MPa. Oleh karena itu, tabung shell evaporator haruslah dirancang dengan perhitungan perancangan bejana tekan. Material yang dipilih untuk Tabung Shell adalah pipa Stainless steel untuk pertimbangan kekuatan dan kualitasnya bila dibandingkan dengan material baja karbon biasa. Tegangan terbesar yang terjadi pada tabung shell (bejana tekan) adalah tegangan pada arah sirkumferensial atau tangensial (σ c ). Kesetimbangan gaya-gaya pada dinding bejana tekan diperlihatkan pada gambar 13.
σc = Tegangan Circumperensial Gambar 13. Kesetimbangan gaya pada dinding tabung bejana V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Dari perancangan berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan: 1. Untuk Organic Rankine Cycle alat penukar kalor yang biasa digunakan untuk Evaporator
2.
Pada perancangan ini evaporator hanya memanfaatkan panas buang pada sterilizer, padahal pada pabrik kelapa sawit masih banyak sumber potensi yang bisa dimanfaatkan. Oleh karenanya maka diharapkan dapat dimanfaatkan seluruh energi yang terbuang sia-sia. Perancangan ini belum efisien, jadi masih bisa di tingkatkan lagi daya bangkitan listriknya.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Yamamoto, T.; Design and Testing of the Organic Rankine Cycle, Science Direct, Energy 26: 239-251, 2001 [2]. Setiawan, Soni E.; Perancangan Kondensor dan Evaporator Untuk Organic Rankine Cycle Dengan Fluida Kerja R-123, ITS, 2010 [3]. Aprilio, F.; Desain Evaporator dan Turbin Uap Pada Organic Rankine Cycle Dengan Fluida Kerja R134a, ITS, 2010 [4]. Ekadewi, A; pengaruh Penggunaan Baffle pada Shell and Tube Heat Exchanger, Jurnal Teknik Mesin, Universitas Kristen Petra Vol. 3, No. 1, : 19 – 23 April 2001 [5]. Mukherjee Rajiv, Effectively Design Shell-andTube Heat Exchangers, chem. Eng Progress, February 1998 [6]. Incropera, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth Edition, John Wiley & Sons, inc 2007 [7]. Kakaq,S; Heat Exchangers, selection rating and thermal design, 2nd ed. CRCPRESS 2002 [8]. Moran,J. and N. Shapiro; Engineering Thermodynamics 5th ed. John Wiley & Sons, Inc. 2006 [9]. Hutahuruk, G. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi, Jurnal Energi Edisi Perdana, Desember 2009 [10].Fox, Robert W. and Mc. Donald Alan T. and Pritchard, Philip J.; Introduction to fluid Mechanics 6th ed. John Wiley & Sons, Inc. 2003
