Pemilihan Fluida Kerja pada Pengembangan Organic Rankine Cycle. Selection Working Fluids in the Organic Rankine Cycle Development

Transkripsi

1 Pemilihan Fluia Kerja paa Pengembangan Organic Rankine Cycle Selection Working Fluis in the Organic Rankine Cycle Development Yogi Siroz Gaos 1*, Mulya Juarsa 1, Ei Marzuki 1, Muhama Yulianto 1,2 1 Engineering Development for Energy Conversion an Conservation (EDfEC) Research Laboratory, Program Stui Teknik Mesin Fakultas Teknik UIKA Bogor 2 Departemen Teknik Mesin an Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian, IPB Bogor * Corresponing author: yogi@ft.uika-bogor.ac.i Abstract: In this stuy presents the comparisson of 3 working fluis for use in the evelopment of Organic Rankine cycle. Accoring to the list of refrigerant mostly-applie, in this paper provie many of working flui that are : R 134a, R141b, n-penthane. Analysis the use of working flui in the evelopment of ORC base on : Thermoynamics, environmental an economic criteria, such as : efficiency, non-flammability, low toxicity, no ozon epletion an low cost. The metho to analysis working fluis, in this paper use cycle tempo an the properties of working flui use Refprof. The result of this analysis are R 134a have efficiency 8,42% with conition temperature inlet at turbine is 90 o C, then R141b have efficiency 11,79% with conition temperature inlet at turbin is 160 o C, an the last for n-penthane have efficiency 16,92% with conition temperature inlet at turbine is 160 o C. Base on this result, the best working flui for the evelopment of ORC is R134a with lowest temperatur inlet at Turbine. Key wors: ORC, Working Flui, Cycle Tempo, Refprop 1. PENDAHULUAN Organic Rankine Cycle (ORC) merupakan salah satu pembangkit listrik engan temperatur renah. Definisi ORC oleh peneliti lain yaitu pembangkit listrik engan karakteristik fluia yang menguap paa temperature lebih renah ari pembangkit listrik tenaga uap konvensional [1]. ORC saat ini banyak iminati untuk ikembangkan an iaplikasikan karena penggunaan turbin konvensional igerakan engan bahan bakar fossil yang apat menyebabkan permasalahan lingkungan. Permasalah lingkungan yang apa isebabkan karena polusi uara, pemanasan global, kebocoran lapisan ozon, an juga Hujan asam [2]. Perkembangan-perkembangan penelitian baik secara simulasi maupun eksperimen suah banyak ilakukan ibiang sumber energi panas, fluia kerjanya maupun esign ari turbin. Perkembangan penelitian tersebut iantaranya aalah : Penggunaan sumber panas ari sinar matahari engan plat atar, seangkan fluia kerja menggunakan R245fa an R123 hasilnya aalah untuk refrigeran R245 an R123 mempunyai performansi effisiensi lebih baik ibaningkan penggunaan refrigerasi Isobutane an R134a [3]. Simulasi untuk perbaningan optimasi untuk 8 fluia kerja, yaitu HFE7000, HFE7100, PF5050, R123, n-pentane, R245fa, R134a an Isobutane, seangkan simulasi ini itunjukan untuk sumber panas ari panas matahari, panas bumi, biomass, an recovery ari panas buang. Hasil ari penelitian ini berupa susunan effisiensi berasarkan methoe spinal point aalah HFE7000, HFE7100, PF5050, R123, n-pentane, R245fa, R134a, Isobuthane [2] hal ini berbea engan susunan yang ikemukakan oleh peneliti lainnya yang menyebutkan susunan effisiensi tertinggi aalah : n-buthane, R245fa, R123, n-pentane, HFE7000, SES 36, R134a, R1234yf [4]. Penelitian engan mengubah esign ari turbin raial paa blae an nozle seperti yang itunjukan paa Gambar 1 an Gambar 2 engan fluia kerja R245fa an pemanas ari heater menghasilkan bahwa effisiensi rata-rata siklus, efisiensi turbin, Daya listrik yang ihasilkan sebesar 5,22%, 78,7%, 32,7 kw [5]. Penelitian engan membaningkan antara Kalina engan ORC menggunakan fluia kerja Hexa methylisiloxane an pemanas ari panas buang iesel menghasilkan perfomansi engan menggunakan siklus kalina lebih kecil ibaningkan engan menggunakan siklus ORC [6]. Penelitian engan menggunakan fluia kerja R245a engan pemanas ari panas matahari yang menghasilkan aya maksimum 2250 W engan temperatur 60oC [7]

2 aalah aya yang ibutuhkan ari heat pump untuk apat menguapkan HFC 134a 20kW engan iameter kompresor an turbin aalah 20 mm an 18 mm [8]. Penelitian engan pemanas menggunakan ari gas panas buang iesel engan fluia kerja R245fa menghasilkan aya ORC sebesar 15.5 kw, 14.5 kw, an 13.7 kw engan effisiensi 9.1%, 9.2% an 9.4% [9]. Penelitian engan menggunakan fluia kerja R245fa engan pemanas ari recovery panas buang yang manghasilkan bahwa temperatur masuk turbin mempengaruhi effisiensi ari sistem ORC engan fluia kerja 245fa [10]. Secara umum siklus Organic Rankine Cycle igambarkan paa gambar 3 imana teriri ari Turbin generator, Heat Exchanger, Pompa, konenser [11] Gambar 1. Blae turbin : a. Drawing, b. Photograph [5] Gambar 3. Skematik siklus ORC. TG : Turbin Generator, HE : Heat Exchanger Evaporator+Preheater, P : Pompa, C : Conenser [11] Seangkan potensi penggunaan panas ari tenaga matahari suah ipaparkan engan hasil itensitas paa gambar 4 ibawah ini [12] Gambar 4. Intensitas cahaya aerah Bogor [12] Gambar 2 Nozzle Turbin : a. Drawing, b. Photograph [5] Penelitian yang ilakukan lainnya aalah ORC yang ihubungkan engan pemanas ari pompa pemanas engan fluia kerja HFC-134a, hasil ari penelitian ini Dari pemaparan iatas maka, paa penelitian ini akan ibahas tentang pemilihan fluia kerja ari R134a, R141b an n-pentane engan rencana penggunaan pemanas ari panas matahari. Analisis penelitian ini menggunakan alat bantu software Cycle tempo an Refprop sebagai analisis thermoinamik.

3 2. METODE SIMULASI Penelitian ini merupakan analisis thermoinamika engan menggunakan bantuan software cycle tempo yang terlebih ahulu menapatkan sifat refrigeran menggunakan software Refprop Tipe fluia kerja Siklus uap air menghasilkan rasio tekanan tinggi an sifat perpinahan panas yang baik tetapi mempunyai kelemahan paa konisi masuk turbin paa tekanan 100 bar an temperatur 450 o C [2] hal ini mempunyai kelemahan alam permasalahan keamanan sehingga engan ORC yang menggunakan fuia refrigeran hal ini apat ianulir karena menguap paa temperatur renah. Gambar 5 menunjukkan iagram P- H yang iapat ari Refprop. Diagram tersebut memperlihatkan engan jelas bahwa untuk menguapkan air iperlukan tekanan an enthaply lebih besar ibaning 3 fluia kerja yang lain (R134 a, R141b an n-pentane). Hal inilah yang mejai salah satu asar alam pemilihan fluia kerja paa ORC. Kemuian langkah selanjutnya aalah melakukan analisis thermoinamika untuk mengetahui effisiensi ari sistem ORC. Tabel 1. Konisi paa saat simulasi N o Refrigera n Tekana n (bar) Temperatu r ( o C) 1 R134a R141b n-pentane Pembuatan Cycle tempo Kualitas Paa gambar 6 merupakan skema iagram yang igunakan untuk analisa thermoinamika menggunakan Cycle tempo. Paa cycle tempo tersebut komponen-komponennya teriri ari : 1. Pompa 2. Heater 3. Pre-Heater 4. Turbin 5. Generator 6. Konenser 7. Cooling Tower 8. Pompa Cooling Tower Gambar 6. Skema paa cycle tempo Gambar 5. Diagram P-H fluia kerja R134a, R141b, air an n-pentane 2.2. Sifat fuia kerja Sifat fluia yang akan ianalisa paa penelitian ini sesuai engan tekanan an temperatur yang apat ilihat paa Tabel 1. Dimanan Tabel 1, untuk memastikan bahwa fluia kerja tersebut paa konisi fase uap agar apat menggerakan turbin ilakukan simulasi engan menggunakan Refprop. 3. HASIL DAN DISKUSI Gambar 7 memperlihatkan bahwa untuk masingmasing fluia kerja n-pentane, R141b an R134a mempunyai nilai enthalpy yang maksimum paa n- Pentane paa tekanan yang paling renah ibaningkan engan fluia kerja lainnya. Sehingga energi yang igunakan untuk menguapkan fluia kerja lebih kecil ibaningkan engan engan fluia kerja R141b an R134a seperti yang terlihat paa Gambar 8. Aspek lainnya aalah effisiensi maksimum seperti yang terlihat paa Gambar 9 yang bisa icapai oleh ORC yang paa simulasi ini terjai paa penggunaan n

4 pentane sebesar 16,92% kemuian R141b sebesar 11,79% an yang terakhir aalah R134a sebesar 8,42%. Hal ini ikarenakan penggunaan energi minimum yang ibutuhkan aa i n-pentane. Gambar 9. Effisiensi Organic Rankine Cycle 4. KESIMPULAN Gambar 7. Nilai enthalpy paa 3 fluia kerja paa tekanan an temperature tertentu Sehingga jika iurutkan, maka fluia yang membutuh energi input paling kecil an effisiensi terbesar aalah n-pentane, R141b an R134a. Tetapi hal ini sangat bertolak belakang engan tujuan pengembangan ORC karena ORC bertujuan agar apat menguapkan fluia paa temperatur renah, sehingga jika ilihat paa Tabel 1, maka temperatur paling renah masuk turbin imana fluia kerja suah alam keaaan uap superheate aalah R134a baru kemuian n-pentane an yang terakhir aalah R141b. Perimbangan lainnya aalah secara ekonomis, imana n-pentane merupakan fluia kerja yang tergolong lebih mahal ari R134a. Secara keamanan juga menjai pertimbangan karena n- pentane bersifat flammable. Kesimpulan yang iapat ari pengujian ini aalah : 1. Secara analisa thermoinamik, urutan fluia kerja yang mempunyai effisiensi tertinggi aalah n- pentane, R141b, an R134a karena n-pentane mempunyai nilai effisiensi yang tertingga engan energy yang ibutuhkan untuk menguapkan fluia kerja lebih seikit. 2. Jika ilihat ari temperatur yang paling renah, maka R134a mempunyai temperature penguapan yang paling renah yaitu 90 o C an memungkinkan penggunaan panas matahari sebagai sumber panasnya 3. Secara ekonomis an faktor keselamatan maka R134a merupakan fluia kerja yang paling ekonomis an tiak flammable jika ibaningkan engan n-pentane sehingga paa paper ini lebih isarankan untuk menggunakan R134a sebagai fluia kerja ibaningkan engan n-pentane an R141b DAFTAR PUSTAKA Gambar 8. Daya input an output yang ihasilkan 1. Torres. Agustin M. Delgao, Loures Garcia- Roriquez. Journal of Energy Conversion an Management 51 (2010) Qiu. Guoquan. Journal of Renewable Energy 48 (2012) Wang. Man, Jiangfeng. Wang, Yuzhu. Zhao, Pan. Zhao, Yiping. Dai. Journal of Applie Thermal Engineering 50 (2010)

5 4. Quoilin, S. Declay. S, Tchance.B.F, Lemort. V. Journal of Therm Eng 31 (2011) Kang, Seok Hun. Journal of Energy 41 (2012) : Bombara. Paola, Costante. M. Invernizzi, Clauio. Pietra. Journal of Applie Thermal Engineering 30 (2010) Ksayer. E. Bou. Lawz. Journal of Energy Proceia 6 (2011) Demierre. J, S. Hechoz, D. Favrat. Journal of Energy 41 (2012) Yu. Guepeng, Gequn. Shu, Hua. Tian, Haiqiao. Wei, Lina. Liu. Journal of Energy 51 (2013) Bracco. Roberto, Stefano. Clemente, Diego. Micheli, Mauro. Reini. Journal of Energy xxx (2013) Gozur, Aleksanra Borsukiewics. Journal of Applie Thermal Engineering 56 (2013) Wijayanto, Nurheni. Nurunnajah. Jurnal Silvikultur Tropika 03 (2012) 8 13.