CHRISNANDA ANGGRADIAR (2109 106 036) Dosen Pembimbing Ary Bachtiar Khrisna Putra, ST, MT, Ph.D
STUDI EKSPERIMEN PENGARUH PEMBEBANAN GENERATOR PADA PERFORMA SISTEM ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC)
Latar Belakang Kebutuhan listrik
INOVASI Ketersediaan bahan bakar fossil
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 R123 . • 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 variasi pendinginan kondensor dari sistem ORC (Organic Rankine cycle) dengan refrigerant R123. • 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 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).
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
Asumsi :
2
1. Steady state 2. V1 = V2 3. z1 = z2 4. 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 / qmaks Mencari nilai Cmin dari nilai terkecil berikut : atau Kemudian dapat diketahui performa heat transfer pada kondensor dengan metode NTU
Penelitian Terdahulu Soni Edi Setiawan (2011) “Perancangan Kondensor dan Evaporator Untuk Organik Rankine Cycle Dengan Fluida Kerja R-123 Sebagai Pembangkit Listrik”
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
Penelitian Terdahulu Takahisa 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 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.
Metodologi Penelitian • Sistematika Penelitian
START
Studi Literatur
Pemilihan Bahan
Pembuatan Model Termodinamika
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
Penentuan Posisi Alat Ukur
Desain Organic Rankine Cycle
Gambar Organic Rankine Cycle
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) Atur pada flowrate yang diimginkan Melakukan pembebanan pada generator dengan penyalaan lampu hingga generator tidak lagi berputar
Apakah putaran generator sudah berhenti ?
Ya
Tidak
Pengambilan data temperatur (T1, T2, T3, T4), tekanan (P1, P2, P3, P4), dan flowrate
END
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
Mendapatkan Cpc dan Cph dari tabel Heat Transfer
Menghitung Cc dan Ch · Cc = ṁc x Cpc · Ch = ṁh x Cph
Menghitung mass rate (ṁ) ṁ= ρ x Q
Menghitung Qmax · Cc < Ch à Qmax = Cc (Thi - Tci) · Cc > Ch à Qmax = Ch (Thi - Tci)
Menghitung Daya Turbin ṁt = ṁ ( h1 – h2 )
Menghitung Qcondenser Qcond = ṁ ( h2 – h3)
Menghitung effectiveness ε = Qcond / Qmax
Menghitung Daya Pompa ṁp = ṁ ( h4 – h3 )
Menghitung nilai heat transfer area (A)
Menghitung Qevaporator Qevap = ṁ ( h1 – h4)
Menghitung Overall Heat Transfer U = 1 / Rtot
Menghitung Back Work Ratio (BWR) BWR = (h4-h3) / (h1-h2)
Mendapatkan Cmin dari nilai terkecil antara Cc dan Ch · Cc = ṁc x Cpc · Ch = ṁh x Cph
Menghitung Efisiensi Siklus ηcycle = ((ṁt-ṁp)/Qevap) x 100%
Menghitung Number of Transfer Unit NTU = UA / Cmin
ṁturbine Qcondenser ṁpump Qevaporator Back Work Ratio (BWR) ηcycle Effectiveness (ε) NTU
END
Data Hasil Pengamatan Pengam Beban T1 T2 &Thi T3 Tci &Tco Qwater T4 (OC) Tho (OC) P1 (Bar) P2 (Bar) P3 (Bar) P4 (Bar) Q (GPM) O O O O bilan Generator ( C) ( C) ( C) ( C) (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
h4
Q Qwater (m3/ (m3/s) s)
ṁ
ṁwater
Wturbin Qcond Wpump Qevap (watt) (watt) (watt) (watt)
BWR
η
Cph Cpc
Ch
Cc
Cmin Qmax
ε
NTU
417,18
0,000 0,00566 0,2307 5,6666 2097,86 41424,1 576,970 44099,0 0,275027 3,448817 0,711 4,178 164,12 2367 164,12 1066,8 38,82 180,27 408,09 228,6 226,1 158 6678 8825 78 5193 8299 625 1881 503 249 157 32 66757 7,19 66757 23392 947 70036
417,41
0,000 0,00566 0,2307 5,6666 2134,79 41463,4 207,709 43805,9 0,097297 4,399135 0,711 4,178 164,14 2367 164,14 804,30 51,55 180,25 408,16 228,5 227,6 158 6678 8825 78 1313 17 425 1773 297 978 233 66 42623 9,12 42623 68852 174 76885
417,49
0,000 0,00566 0,2307 5,6666 2153,25 41071,0 392,340 43616,6 0,182207 4,037250 0,711 4,178 164,14 2367 164,14 722,23 56,86 180,25 408,16 230,2 228,5 158 6678 8825 78 4373 7697 025 7137 931 648 233 76 42623 9,69 42623 47541 666 76885
417,57
408,16 231,2
417,97
408,31
0,000 0,00566 0,2307 5,6666 2171,71 40840,2 507,734 43519,7 0,233793 3,823513 0,711 4,178 164,14 2368 164,14 656,57 62,20 180,25 229 158 6678 8825 78 7432 8872 15 403 836 814 233 84 42623 0,14 42623 70492 182 76885
231,8 0,000 0,00566 0,2307 5,6666 2229,41 40727,2 493,886 43450,5 0,221532 3,994263 0,711 4,178 164,17 2368 164,17 607,46 67,04 180,21 4 229,7 158 6678 8825 78 4495 0248 855 0383 091 558 386 94 95618 0,71 95618 43787 459 89321
Grafik Beban Generator vs Temperatur Beban Generator vs Temperatur 80
Temperature (OC)
70 60
T1 T2 dan Thi
50
T3
40
T4 Th0
30
Tci dan Tco
20 0
65
85 Beban Generator (watt)
105
605
Grafik Beban Generator vs Tekanan Beban Generator vs Tekanan 5
Tekanan (Bar)
4
3 P1 P2
2
P3 P4
1
0
0
65
85 Beban Generator (watt)
105
605
Grafik Beban Generator vs Daya Turbin Beban Generator vs Wturbin 2250
Wturbin (Watt)
2200
2150
2100
Wturbin
2050
2000 0
65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs Qcondenser Beban Generator vs Qcondenser 41600
Qcondenser (watt)
41400 41200 41000 40800
Qcond
40600 40400 40200 0
65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs Daya Pompa Beban Generator vs Wpump 600
Wpump (watt)
500 400 300 Wpump
200 100 0 65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs Qevaporator Beban Generator vs Qevaporator 44200
Qevaporator (watt)
44000 43800 43600 Qevaporator
43400 43200 43000 0
65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs BWR Beban Generator vs BWR 0,25 0,2
BWR
0,15 0,1
BWR
0,05 0 65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs Efisiensi Siklus Beban Generator vs Efficiency (η) 5
4,5 4 3,5
η
3 2,5 2
Efficiency
1,5
1 0,5
0 0
65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs Efectiveness Condenser Beban Generator vs Effectiveness (ε) 80 70 60
ε
50 40 Effectiveness
30 20 10
0 0
65
85
105
Beban Generator (watt)
605
Grafik Beban Generator vs NTU Beban Generator vs NTU 180,28 180,27 180,26
NTU
180,25 180,24
180,23
NTU
180,22 180,21 180,2 180,19
180,18 0
65
85
Beban Generator (watt)
105
605
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) 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.
