BAB IPENDAHULUAN

Latar belakang kerja praktekKebutuhan tenaga listrik di Indonesia waktu demi waktu meningkat, sedangkan potensi sumberdaya energi semakin menipis sehingga program penghematan energi menjadi faktor yang sangat penting diperhatikan dalam program penyediaan tenaga listrik. Untuk mengatasi krisis penyediaan energi dan menghindari dampak kerusakan lingkungan hidup akibat global warming, terdapat beberapa teknologi pembangkit tenaga listrik yang memanfaatkan energi alternatif diluar BBM diantaranya : PLT Gas, PLTU batu bara, PLTU Biomassa, PLT Angin dan PLT Surya.Pembangkit-pembangkit listrik di Indonesia pada saat ini masih banyak yang menggunakan BBM/HSD (High Speed Diesel) sebagai bahan bakar utama dalam pengoperasian pembangkit listrik tersebut. Disamping biaya produksi listrik pembangkit berbahan bakar minyak relatif mahal dibandingkan dengan jenis bahan bakar lain, ketersediaannya juga semakin terbatas.Salah satu cara untuk memenuhi kebutuhan listrik dan secara simultan menghemat pengunaan sumberdaya energi adalah dengan memanfaatkan energi yang terkandung dalam gas buang turbin yang masih memiliki temperatur cukup tinggi 400OC 500OC (3). Pemanfaatan energi gas buang tersebut dilakukan dengan sistem ORC (Organic Rankine Cycle). ORC adalah suatu proses pembangkitan dan pemanfaatan energi dalam bentuk yang berbeda secara serempak dari energi bahan bahan bakar untuk menghasilkan tingkat efisiensi maksimum, ekonomis dan ramah lingkungan.Aplikasi ORC yang lazim digunakan adalah pembangkit listrik dan pembangkit energi termal. Energi listrik akan dipakai untuk catu daya bagi peralatan kelistrikan. Energi termalnya akan digunakan untuk membangkitkan uap.Keunggulan sistem ORC ini adalah, teknologinya bersih, penggunaan bahan bakar yang efisien, Mampu mengurangi emisi terhadap lingkungan. ORC menawarkan metode yang efisien untuk mengurangi jumlah panas terbuang selama proses berjalan dengan cara mengkonversikannya menjadi energi kinetik yang akan memutar turbin generator.Pada penggunaan energi saat ini, natural gas dibakar pada gas turbine untuk menghasilkan energi untuk mengkompresikan natural gas yang akan di salurkan melalui kompresor sentrifugal, dan proses pengkompresian inipun menimbulkan energi panas. Panas dari hasil pembakaran dan proses pengkompresian tersebut hanya dibuang ke udara.Pada penggunaan energi dengan sistem ORC, natural gas dibakar pada turbin gas untuk menghasilkan tenaga yang digunakan pada pengkompresian natural gas melalui kompresor. Panas dari hasil pembakaran dan pengkompresian tersebut kemudian ditambahkan fluida kerja, diolah menjadi uap yang kemudian dimanfaatkan menjadi bahan bakar turbin generator yang menghasilkan output listrik.

Tujuan kerja praktekBerdasarkan latar belakang diatas, penulis tertarik untuk melakukan penelitian yaitu :1. Merancang sistem Organic Rankine Cycle pada turbin gas PT.Pertamina gas distrik mundu.2. Menganalisa efisiensi termodinamika yang akan diperoleh dengan mengaplikasikan sistem ORC.3. Mengetahui besarnya potensi pemanfaatan gas buang untuk pembangkit listrik.

Batasan masalahUntuk memudahkan dalam perumusan dan penyeleaian masalah dalam penulisan ini maka dilakukan pembatasan masalah pembahasan. Batasan dalam masalah ini adalah:1. Perancangan sistem Organic Rankine Cycle.2. Perhitungan termodinamika pompa, boiler/HRSG, turbin, dan kondensor.

Sistematika penulisanSistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 4 bab :Bab 1 : PendahuluanBerisikan latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.Bab 2 : Tinjauan pustakaBerisikan tentang teori-teori siklus rankine, sistem organic rankine cycle, serta fluida kerja yang digunakan dan system penukar panas (perancangan ukuran pipa, yaitu : diameter, tebal pipa, dan hal lainnya sesuai kebutuhan perancangan).

Bab 3: Data dan analisa dataBerisikan tentang data dan analisa data dari hasil penelitian, urutan cara perancangan ORC. Dimulai dari waktu dan tempat dilaksanakan penelitian, alat yang di teliti sebagai pembanding.Bab 4: Kesimpulan dan SaranBerisikan kesimpulan dari penelitidan saran untuk mengembangkan penelitian selanjutnya.

BAB II

BAB IIITEORI DASAR

1. 2. SIKLUS BRAYTONSiklus brayton sederhanaTurbin gas siklus terbuka adalah turbin yang menggunakan udara sebagai fluida kerjanya tanpa harus dipersiapkan terlebih dahulu. Unit turbin gas tak dapat dipisahkan dari pembangkit gasnya, terdiri dari kompresor dan ruang bakar. Udara dari atmosfir masuk ke dalam kompresor kemudian dimampatkan terlebih dahulu sehingga tekanan dan temperaturnya naik, kemudian dipakai untuk pembakaran bahan bakar didalam ruang bakar. Gas hasil pembakaran diekspansikan didalam turbin untuk diubah menjadi energi mekanis putaran poros. Gas buang panas yang keluar dari turbin dibuang ke atmosfir. Dalam kasus ini gas buang panas ini tidak dibuang tetapi dimanfaatkan sebagai sumber panas untuk menguapkan refrigran yang kemudian digunakan untuk memutar turbin.Keuntungan dari siklus brayton sederhana adalah fluida kerja yang murah dan mudah didapat dan proses yang terjadi sangat sederhana. Sedangkan kerugiannya adalah fluida kerja yang dapat digunakan hanyalah udara dan produk pembakaran yang dihasilkan mempunyai resiko sebagai pencemar lingkungan, mengotori sudu turbin dan banyak kerugian panas yang terbuang.

Gambar III. 1 : Turbin gas sederhana

Pada unit turbin gas pengerak kompresor dengan poros bebas, daya yang dihasilkan dari gas pembakaran terlebih dahulu memutar turbin penghasil gas yang menggerakan kompresor turbin gas (agar mesin dapat beroperasi) lalu memutar turbin daya.Siklus dasar turbin gas adalah siklus Brayton. Siklus ini terdiri dari proses kompresi isentropik diikuti dengan proses pemasukan kalor pada tekanan konstan, lalu proses ekspansi isentropic dan terakhir pembuangan kalor pada tekanan konstan (1). Siklus Brayton umumnya digambarkan dalam diagram tekanan (p) terhadap (v), dan diagram temperature (T) terhadap (s).

Gambar III. 2 : Diagram P-v dan T-s siklus Brayton ideal

Langkah-langkah dari siklus brayton ideal terdiri atas :1. Langkah 1-2 : kompresi pada enthalpy tetap (isentropik)Udara luar yang dihisap kompresor dan dikompresikan kedalam ruang bakar. Dengan adanya kompresi isentropis, tekanan udara menjadi naik P2 dan temperature udara menjadi T2. Banyaknya laju aliran massa udara dinyatakan dalam m. besarnya kerja yang dibutuhkan kompresor dengan mengangap fluida kerja sebagai gas ideal dengan cp konstan :

2. Langkah 2-3 : pemasukan kalor pada tekanan konstan (isobarik)Temperature keluar kompresor T2 dipanaskan dengan tekanan konstan untuk kemudian masuk kedalam turbin T3. Besarnya kalor yang dimasukkan kedalam ruang bakar :

3. Langkah 3-4 : Proses ekspansi pada enthalpy tetap (isentropik)Proses yang terjadi didalam turbin, menghasilkan putaran poros (P3 menjadi P4). Penurunan tekanan ini diikuti juga oleh penurunan temperature T3 mennjai T4. Besar kerja turbin ditunjukan pada persamaan dibawah ini :

4. Langkah 4-1 : Pembuangan kalor pada tekanan konstanFluida kerja hasil ekspansi didalam turbin biasanya masih memiliki temperature yang tinggi, dibuang ke atmosfir. Proses pembuangan kalor idealnya adalah :Kemampuan suatu turbin gas untuk dapat menggerakkan beban dapat diukur dengan mengetahui besar kerja nettonya. Kerja netto turbin gas adalah output yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut. Kerja netto turbin gas yang yang menghasilkan putaran poros adalah kerja turbin dikurangi kerja kompresor. Untuk suatu proses yang reversible, besar kerja netto ditunjukan oleh luas 1-2-3-4 diagram T-s pada gambar II. 2Efisiensi termal :Selain efisiensi termal mengukur prestasi turbin gas juga dapat dengan melihat operasi turbin gas tersebut. Hal ini ditunjukan dengan besarnya rasio kerja turbin gas. Rasio kerja merupakan perbandingan kerja netto dengan kerja turbin. Pada keadaan sebenarnya terjadi penyimpangan dari siklus ideal. Secara actual terjadi penyimpangan-penyimpangan yang disebabkan proses kompresi pada kompresor dan ekspansi pada turbin tidak terjadi secara isentropis melainkan terjadi secara pilotropik dan fluida kerjanya bukan gas ideal.

Gambar III. 3 : Siklus Brayton aktual

Pada kompresi di kompresor terjadi panas yang keluar, sehingga pemakaian untuk kerja untuk kompresi menjadi semakin besar. Selain itu terjadi juga penurunan tekanan didalam ruang bakar atau alat pemanas dan pendingin. Akibat kerugian-kerugian ini maka efisiensi kompresor dan turbin tidak mungkin mencapai 100%. Efisiensi peralatan ditunjukan oleh persamaan :Efisiensi kompresor

Efisiensi turbin

SIKLUS RANKINESiklus Rankine sederhanaPada siklus rankine sederhana, energi panas hanya diperoleh untuk memanaskan air menjadi uap kering yang merupakan fluida kerja dari system pembangkit daya dengan menggunakan turbin uap. Pemanasan terjadi pada ketel yang kemudian masuk ke turbin untuk diekspansikan. Setelah melalui proses ekspansi selanjutnya uap yang keluar dari turbin masuk ke kondensor untuk didinginkan menggunakan air atau media lain. Kemudian air kondensat dipompakan oleh pompa kondensat untuk dialirkan kembali kedalam ketel. Sistem pembangkit daya turbin uap sederhana terdiri atas empat komponen yaitu, turbin uap, kondensor, pompa kondensor, dan ketel uap, dengan susunan seperti gambar berikut :Gambar III. 4 : Siklus Rankine

Pada sistem turbin uap sederhana, fluida kerja yang akan diekspansikan oleh turbin lebih menguntungkan dalam wujud uap kering. Sehingga langkah pertama yang penting dalam siklus Rankine adalah mengubah air menjadi uap kering, dengan menggunakan sumber panas hasil pembakaran bahan bakar yang kemudian akan diekspansikan oleh turbin untuk memutar beban.Siklus Rankine ideal terdiri dari dua proses isentropik dan dua proses isobarik. Dalam siklus Rankine ideal semua proses dilakukan secara mampu balik, sehingga dianggap tidak terjadi kerugian-kerugian yang dapat mempengaruhi prestasi siklus. Siklus Rankine ideal dapat digambarkan pada diagram T-s seperti dibawah ini :Gambar III. 5 : Diagram T-s siklus rankine ideal

langkah-langkah siklus Rankine ideal terdiri dari : Langkah 1-2 proses pemompaan pada entropi konstan (isentropik)Proses pompa yang dilakukan oleh pompa kondensat pada langkah 1-2 akan menaikkan tekanan dan temperature dari air yang keluar melalui kondensor menjadi air dingin lanjut. Hal ini diikuti dengan meningkatnya entalpi pada saat fluida keluar pompa.

Langkah 2-B-3, proses pemasukan kalor pada tekanan konstam (isobarik)Proses pemasukan kalor pada Langkah 2-B-3 diperoreh dari hasil pembakaran biasa dengan menggunakan bahan bakar fosil. Adanya perubahan dari energy potensial ke energy kinetic dikarenakan kalor yang diperoleh dari pembakaran digunakan oleh ketel uap untuk memanaskan fluida kerja menjadi uap yang kemudian diekspansikan oleh turbin untuk memutar beban. Hal ini dapat dilihat pada diagram T-s. Langkah 3-4, yaitu proses ekspansi pada turbin dengan entropi konstan (isentropik)Proses ekspansi ialah proses pengkonversian energi yang diserap di evaporator menjadi kerja mekanik pada turbin ekspansi. Langkah 4-1, proses pembuangan kalor pada tekanan konstan (isobarik)Proses pelepasan kalor yang dilakukan oleh kondensor pada langkah 4-1 dengan cara kondensasi pada tekanan konstan akan merubah uap ekspansi yang keluar dari turbin menjadi air kondensat yang selanjutnya akan dipompakan ke ketel uap. Dalam pendinginan ini akan digunakan media air sebagai media pendinginan. Temperatur minimum untuk kondensor harus berkisar 25OC sampai dengan 45OC (6).Besar kecilnya kerja netto yang dihasilkan dari suatu Turbin uap akan menunjukan kemampuan dari turbin tersebut dalam menggerakkan beban. Dengan demikian kerja netto merupakan output dari turbin. Maka kerja netto dari siklus Rankine yang menghasilkan adalah kerja turbin dikurangi kerja pompa.Efisiensi termal dari siklus Rankine ideal merupakan perbandingan antara kerja netto yang dihasilkan turbin dengan jumlah energi kalor yang diberikan.Dalam kenyataannya siklus turbin uap menyimpang dari siklus ideal. Hal ini disebabkan oleh beberapa factor, tetapi yang terutama adalah adanya perbedaan temperature yang besar antara sumber kalor dengan fluida kerja secara menyeluruh dan temperature udara uap yang terkondensasi dengan temperature media pendingin yang berada pada kondensor.Pada gambar III. 6, garis ab menunjukkan bahan pendingin primer dengan penukar kalor aliran lawan arah dengan fluida kerja 2-B-3 dalam siklus Rankine. Sedangkan garis cd menunjukkan fluida sumber kalor pada air pendingin kondensor dalam penukar kalor aliran parallel dengan fluida yang terkondensasi 4-1. Kedua aliran ini berlangsung pada temperature konstan. Beda suhu secara menyeluruh yang terjadi pada penukar kalor aliran parallel lebih besar jika dibandingkan dengan penukar kalor aliran berlawanan, oleh karena itu efisiensi yang dihasilkan penukar kalor aliran parallel lebih rendah.

Gambar III. 6 : Ketakmampubalikan eksternal dengan siklus Rankine

SIKLUS RANKINE ORGANIK / ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC)Pada dasarnya ORC dan memiliki prinsip kerja siklus yang sama dengan siklus Rankine uap. pada saat yang sama, ada bebrapa perbedaan besar diantara kedua siklus. Perbedaan itu terletak pada fluida kerja yang digunakan pada siklus, sifat-sifat termo-fisika fluida kerja, temperature sumber panas, dan arsitektur siklus. Siklus Rankine organik dapat mengekstrak energi dan menghasilkan daya dari sumber panas yang jauh lebih rendah daripada siklus Rankine tradisional.

Perbandingan antara ORC dan siklus RankineUntuk mengetahui perbedaan antara ORC dan siklus Rankine tradisional, ada beberapa aspek penting yang harus dilihat, yaitu :Fluida kerjaPerbedaan utama antara dua ini adalah fluida kerja yang digunakan pada tiap siklus. Air adalah satu-satunya fluida kerja yang digunakan pada siklus Rankine uap sementara ada ratusan fluida kerja yang berbeda, yang dapat digunakan pada siklus Rankine organik. Perancangan dan penemuan fluida kerja baru adalah proses yang masih terus berlanjut. Rancangan siklus, ukuran dan bentuk komponen, dan ekonomisnya sangatlah bergantung kepada sifat-sifat termo-fisika fluida kerja yang dipilih. Termo-fisika, keamanan dan factor lingkungan berbeda dari fluida kerja yang satu ke yang lainnya. Data faktor lingkungan dan keamanan tidak tersedia pada sebagian besar fluida kerja. Pilihan pada fluida kerja yang tepat adalah kunci penting dari efisiensi siklus, kerja netto, dll.

Titik didih normal dan diagram T-sKebanyakan fluida organik memiliki titik didih normal yang relatif lebih rendah daripada air. Sifat ini membuat fluida organik membuutuhkan temperatur sumber panas yang lebih rendah daripada air untuk berevaporasi dan mengambil energi dari sumber panas yang rendah. Gambar III.7 menunjukan diagram T-s untuk air dan beberapa fluida kerja yang dapat dipakai pada ORC.Lengkungan garis saturasi uap pada fluida organik bias negatif, positif, atau tidak terbatas, sedangkan air memiliki lengkungan negative. Lengkungan tak terbatas dan positif memiliki keunggulan yang sangat besar untuk mesin ekspansi turbo. Fluida kerja ini meninggalkan turbin ekspansi dengan keadaan uap superpanas dan mengeliminasi bahaya korosi pada rumah turbin. Dengan begitu tidak perlu lagi untuk memberikan panas berlebihan pada uap sebelum memasuki turbin, dan alat penukar kalor (evaporator) yang kecil dan murah dapat digunakan.Gambar III. 7 : Diagram T-s untuk air dan beberapa fluida organik

Perbedaan yang penting untuk dilihat pada gambar 7 adalah perbedaan entropi antara garis saturasi cair dan garis saturasi gas. Fluida kerja organik memiliki perubahan entropi yang sangat kecil disbanding dengan air. Air sebagai fluida kerja membutuhkan energi termal yang lebih banyak untuk berubah fasa, dari saturasi cair ke saturasi uap dan membawa lebih banyak energi termal per satuan kg air. Keuntungan dari sifat ini ialah air membutuhkan lebih sedikit laju aliran massa daripada fluida organik untuk menyerap energy panas yang sama pada sumber panas yang sama. Laju aliran massa yang lebih tinggi berarti konsumsi daya yang lebih besar oleh pompa dan diameter sistem pipa yang lebih besar harus digunakan untuk menghindari kerugian tekanan berdasarkan angka Reynolds yang besar(). Laju aliran massa yang besar akan menyebabkan pemakaian komponen yang besar dan kerugian tekanan.Rancangan siklusMassa jenis fluida kerja adalah kunci penting untuk ukuran komponen siklus dimana sangat bergantung kepada laju aliran volumetrik. Semakin besar massa jenis berarti volume spesifik yang lebih kecil, laju aliran volumetrik yang rendah akan berdampak kepada ukuran komponen yang lebih kecil.Perubahan rasio tekanan, massa jenis dan entalpi berpengaruh pada desain turbin ekpansi. Dalam siklus uap perubahan rasio tekanan dan entalpi pada turbin ekspansi sangat tinggi. Hal ini mengacu pada penggunaan turbin ekspansi dengan beberapa tingkat ekspansi untuk mengurangi kerugian exergi dan menghasilkan kerja yang lebih besar. Perubahan rasio tekanan dan entalpi pada ORC rendah, dan satu atau dua tingkat ekspansi diperlukan pada kebanyakan fluida kerja. Fluida organik menjadikan siklus yang lebih murah dan ukuran system pipa yang lebih kecil (tingginya massa jenis pada evaporator dan kondeser). Siklus Rankine organik memiliki beberapa keuntungan yang lain dibanding dengan siklus uap konvensional : sistem kontrol yang simpel dan turbin yang murah dan simpel adalah beberapa keuntungan berdasarkan rancangan siklus().Masalah yang umum dan biasanya terjadi pada turbin uap adalah perubahan susunan uap pada tingkat ekspansi akhir. Penurunan ini menyebabkan kerusakan pada sudu-sudu turbin, mengurangi umur pakai turbin dan efisiensi (5). Untuk mengatasi masalah ini diperlukan pemanasan tingkat lanjut. Boiler pada siklus Rankine biasanya terdiri dari tiga bagian penukar kalor terpisah(pemanas awal, evaporator, dan pemanas tingkat lanjut). Pada siklus Rankine organik, boiler hanya terdiri dari satu atau dua penukar kalor.Banyak ORC yang menggunakan fluida kering atau isentopik tidak memerlukan pemanasan tingkat lanjut. Proses ekspansi dapat dilakukan tepat pada garis saturasi uap, dan fluida kerja akan meninggalkan turbin ekspansi pada keadaan uap superpanas. Tidak memerlukan perhatian pada kualitas uap pada akhir proses ekspansi. Dan rekuperator tidak diperlukan bila temperatur fluida kerja pada saat meninggalkan turbin ekspansi lebih rendah daripada temperatur keluar pompa.

Gambar III. 8 : Fluida organik basah pada diagram T-s

Gambar III. 9 : Fluida organik isentropik pada diagram T-s

Gambar III. 10 : Fluida organik kering pada diagram T-s

Tekanan kondensorTekanan kondensor pada kebanyakan sistem ORC lebih tinggi daripada tekanan atmosfir. Hal ini dilakukan kerena tekanan yang lebih rendah daripada atmosfir akan menyebabkan masalah rembesan udara ke dalam siklus dan mengurangi efisiensi siklus(). Tekanan kondensasi udara pada 298 K adalah 3.15 kPa, dan pada temperature yang sama 105.49 kPa untuk R11, 349.14 kPa untuk isobutana, 586.67 kPa untuk DME, dan 271.04 kPa untuk R236fa.

Faktor keamanan dan LingkunganAir sebagai fluida kerja ramah lingkungan, tidak dapat terbakar, tidak beracun, tidak memiliki potensi penipisan ozon / ozone depletion potential (ODP) dan potensi pemanasan global / global warming potential (GWP). Kebanyakan fluida organik memiliki pengaruh negatif terhadap efek rumah kaca dan penipisan lapisan ozon. Selain itu sebagian fluida organik juga dapat terbakar dan beracun

Termodinamika siklus Rankine organik dan prinsip kerjanyaBerdasarkan prosesnya (kompresi, pemasukan kalor, ekspansi, dan pembuangan kalor) siklus Rankine organik dibagi menjadi tiga yaitu : ORC SubkritisPada siklus ini keempat proses berada dibawah tekanan kritis fluida. ORC SuperkritisPada siklus ini proses pemasukan kalor berada diatas tekanan kritis fluida. Pembuangan kalor berada dibawah tekanan kritis fluida. Sedangkan proses ekspansi dan kompresi berada diantara kedua keadaan tersebut. ORC TranskritisPada siklus ini keempat proses berada diatas tekanan kritis fluida.

Gambar III. 11 : Siklus Rankine subkritis, Superkritis, dan Transkritis

ORC memiliki prinsip kerja dan komponen utama (evaporator, turbin ekspansi, kondensor, dan pompa) yang sama dengan Siklus rankine uap. perbedaan utama diantara kedua siklus adalah pada penggunaan fluida kerjanya. Gambar (III. 12) menunjukan diagram T-s untuk ORC dasar dan rancangan siklus.Gambar III. 12 : Rancangan system ORC

Gambar III. 13 : ORC Superkritis pada diagram T-s

Fluida kerja harus mengalir melewati keempat proses utama untuk dapat disebut satu siklus. Keempat proses utama tersebut ialah : Proses (1-2) kompresiFluida kerja meninggalkan kondensor pada keadaan fluida jenuh kemudian dipompa sampai ke tekanan evaporator pada entropi konstan. Proses ini ideal walaupun efisiensi transformasi energy tidak pernah mencapai 100%. Keadaan fluida kerja saat memasuki pompa ditunjukan oleh titik 1, dan saat keluar pompa oleh titik 2. Daya yang dipakai oleh pompa dapat dihitung dengan persamaan :

Proses (2-3) penambahan kalorPada proses ini kalor ditambahkan ke fluida kerja pada tekanan konstan, proses ini dapat diangap isobarik walaupun ada sedikit penurunan tekanan pada pipa kondensor. Kondisi fluida kerja pada saat keluar evaporator ditunjukan oleh titik 3 dan kalor yang ditambahkan ke fluida kerja dapat dihitung dengan persamaan :

Proses (3-4) ekspansiPada proses ini energi yang diserap fluida kerja di evaporator akan dikonversi menjadi kerja mekanik. Keadaan pada saat fluida kerja keluar turbin ditunjukan oleh titik 4. Untuk siklus ideal proses ini dapat dianggap isentropik, dan kerja yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :

Proses (4-1) pembuangan kalorUap buang yang keluar dari turbin akan di arahkan ke kondensor yang kemudian didinginkan dengan air pendingin, agar kembali ke wujud cair jenuh. Proses ini adalah proses kondensasi isobarik (tekanan konstan), dan jumlah kalor yang keluar dapat dihitung dengan :

Daya netto yang akan dihasilkan :

Efisiensi thermal sistem ORC adalah rasio dari daya netto dengan kalor yang masuk. Efisiensi exergi dapat dilihat pada persamaan di bawah, yang akan digunakan untuk menggetahui performa dari penggunaan panas gas buang. Dengan sumsi PO dan TO adalah tekanan dan temperature lingkungan, maka exergi yang masuk kedalam sistem adalah :

Dan efisiensi system ORC dapat dituliskan seperti persamaan dibawah :

Faktor teknik dan ekonomiTotal kalor yang dibutuhkan dan ukuran parameter turbin adalah dua faktor penting pada system ORC. Total kalor yang dibutuhkan (UA)tot , yang akan akan digunakan untuk memperkirakan biaya dari penukar kalor, dapat menunjukan perkiraan total area transfer kalor dari penukar kalor pada sistem ORC berdasarkan asumsi bahwa koefisien perpindahan panas dari fluida kerja tidak jauh berbeda. (UA)tot dapat dihitung pada persamaan dibawah :

Dan untuk menentukan ukuran parameter Turbin ekspansi :

Dimana V4s adalah laju aliran fluida kerja pada saat keluar turbin dan Hs adalah penurunan entalpi spesifik pada turbin.

BAB IVPERANCANGAN SISTEM SIKLUS RANKIN ORGANIK

3. Mulai

Diagram alur perencanaan

Masalah

Survey objek penelitian

Pengumpulan data

Identifikasi dan pembatasan masalah

Pembahasan

PerencanaanPerhitungan

Hasil perencanaan dan perhitungan

Kesimpulan dan saran

Selesai

Turbin gasPerhitungan prestasi turbin gasSebelum mulai merancang sistem siklus rankin organik, hal yang harus dilakukan terlebih dahulu adalah mengetahui prestasi turbin gas dan besaran gas buang yang akan dimanfaatkan. Dalam kasus ini data yang akan dipakai untuk proses perancangan adalah turbin gas yang dipakai oleh PT.Pertamina distrik Mundu. Maka data yang telah diperoleh adalah :

Proses kompresi pada kompresor GP, temperature T2 ideal dapat dihitung dengan persamaan

T2 aktual dengan besar efisiensi kompresor ditentukan dengan persamaan .. :

Kerja kompresor gas producerSesuai dengan persamaan ..

Karena poros turbin GP dan PT terpisah, maka WkGP = WTGPDan temperatur T3 dapat dihitung dengan persamaan ..

Proses pembakaran di dalam ruang bakar.Sesuai dengan persamaan .. :

Karena WkGP = WTGP, maka WTPT = Wnet = WkPT. Maka kerja netto turbin gas dapat dihitung dengan :

Maka dengan begitu efisiensi termal turbin gas dapat dihitung dengan persamaan :

Perhitungan gas buang turbin gasKerja turbin ekspansi secara keseluruhan adalah kerja tubin gas producer ditambah kerja power turbin.

Maka temperatur T4 dapat diketahui dengan menggunakan persamaan :

Dan kalor hasil pembakaran turbin gas yang dilepas ke udara / lingkungan adalah :

Dan kalor yang terjadi pada proses kompresi gas di kompresor sentrifugal adalah :

Perencanaan dan perhitungan sistem siklus Rankin organikPemilihan fluida kerjaPemilihan fluida kerja adalah hal yang penting dan pada dasarnya tergantung kepada temperature sumber panasnya. Proses pemilihan fluida kerja adalah pertukaran antara spesifikasi termodinamika, keamanan, faktor ekonomi dan lingkungan. Kriteria berikut adalah hal yang akan menentukan fluida kerja yang optimal.Sifat termodinamikaSifat termodinamika fluida kerja adalah kunci penting dalam proses desain siklus ORC, berhubungan dengan pemakaian energi yang optimal, mengurangi kerugian exergi. Berikut ini adalah beberapa sifat termodinamika yang penting bagi fluida kerja : Tekanan kondensasi harus lebih tinggi dari tekanan atmosfir, untuk mencegah masalah kebocoran. Pada siklus subkritis, tekanan kritis harus lebih besar dari tekanan dalam kondensor. Semakin besar massa jenisnya, maka volume spesifik dan aliran volumetriknya akan berkurang. Aliran volumetric yang rendah beralasan untuk mencapai pemakaian komponen yang lebih kecil dan mesin yang kompak. Garis uap jenuh, pemakaian fluida kering sangat disarankan, seperti yang telah dijelaskan pada BAB III Perbedaan entalpi yang besar pada turbin akan memberikan kerja netto yang lebih besar. Memiliki koefisien konveksi dan kondusivitas yang tinggi untuk meningkatkan perpindahan panas. Memiliki kapasitas kalor yang besar akan menyimpan lebih banyak energi dari sumber panas dan mengurangi laju aliran massaKeamananFactor keamanan juga penting untuk diperhatiakan dalam pemilihan fluida kerja, seperti kemampuan terbakarnya, dan klasifikasi keamanan fluida kerja (kadar racun yang terkandung).

Data lingkunganMemilih fluida kerja yang ramah lingkungan termasuk pencegahan terhadap kerusakan bumi. data lingkungan mencakup GWP dan ODP. GWP (Global Warming Potential / Potensi Pemanasan Global)Angka GWP adalah rasio pemanasan yang disebabkan oleh suatu zat terhadap pemanasan yang disebabkan oleh massa yang dari karbondioksida untuk sistem 100 tahun. ODP (Ozone Depletion Potential / Potensi Penipisan Ozone)ODP ialah rasio dampak yang ditimbulkan terhadap ozone dari suatu bahan kimia dengan dampak dari massa yang sama pada CFC 11. ODP adalah masalah yang sangat penting dalam pemilihan fluida kerja. Fluida kerja yang dipilih haruslah memiliki nilai ODP 0 atau sangat rendah.

Pada kasus ini fluida kerja yang dipakai adalah R245fa, fluida yang ramah lingkungan dan memiliki sifat termodinamika yang baik. Berikut ini adalah beberapa sifat termodinamika dari R245fa :(..)

Pemilihan dan Perhitungan kondisi SiklusUntuk menentukan kemampuan sistem ORC maka perhitungan berdasarkan parameter yang telah ditentukan :ParameterNilaiSatuan

Temperatur gas buang masuk651.82K

Temperatur gas buang keluar333K

Laju aliran massa gas buang13.7Kg/s

Temperatur kondensasi303K

Temperatur lingkungan302.5K

Tekanan lingkungan1bar

Efesiensi turbin85%

Efesiensi pompa70%

DAFTAR PUSTAKA[1]. Thermodinamika teknik[2]. Steam turbin[3]. Gas turbin[4]. Termodynamic engine[5]. Fritz Dietzel, Darko Erlangga, Turbin, Pompa dan Kompresor edisi 5, tahun 1996.[6]. S.K. Kulshresta, TermodinamikaTerpakai, Teknik Uap dan Panas penerbit Vikas Publishing House PVT Ltd, jilid 1, tahun 1983.