Analisis Siklus Termodinamika Konversi Panas Bersuhu Rendah ke Tenaga Mekanik Berdasarkan Siklus Rankine Organik

Abstract

Pemanfaatan panas buang yang mempunyai suhu rendah untuk dikonversi menjadi energi listrik merupakan salah satu solusi ditengah isu krisis energi fosil. Salah satu siklus termodinamika konversi panas bersuhu rendah untuk menghasilkan kerja ialah Siklus Rankine Organik (SRO). Semakin rendah suhu sumber panas maka efisiensi konversinya ke kerja yang bisa dimanfaatkan juga semakin kecil. Dalam rangka mengoptimalkan kinerja SRO maka perlu diketahui dan dievaluasi tingkat irriversibillitas (ketak-mampu-balikan)-nya terutama pada komponen vital SRO yaitu ekspander. Oleh karena itu tujuan dari penelitian ini ialah: 1) mengembangkan model matematika untuk mensimulasi dan memilih fluida kerja yang paling tepat berdasarkan analisis eksergi; 2) mengevaluasi kinerja ekspander yang diperoleh dari pembalikan compressor untuk digunakan pada system SRO berdasarkan prinsip pembangkitan entropi. Penelitian ini dimulai dengan menurunkan model matematika berdasakan prinsip pembangkitan entropi dalam rangka menentukan fluida kerja SRO. Selanjutnya dilakukan pabrikasi, serta uji kinerjanya berdasarkan fluida kerja terpilih. Pada tahap akhir dilakukan analisis pembangkitan entropi pada hasil uji kinerja SRO.

Analisis pembangkitan entropi telah dilakukan untuk menjaring 30 fluida kerja organik pada suhu keluar evaporator 60 oC. Berdasarkan analisis tersebut didapatkan bahwa fluida kerja terbaik berdasarkan efisiensi eksergi ialah Benzene yaitu sebesar 6.41%. Toluene menjadi fluida kerja organik yang mempunyai efisiensi energi tertinggi yaitu 7.75%. Beberapa fluida kerja organik mengalami kenaikan efisiensi eksergi sejalan dengan kenaikan suhu inlet ekspander. Dari sisi kerja keluarannya mengalami kenaikan secara linier sejalan dengan kenaikan suhu inlet ekspander. Parameter yang sensitif terhadap perubahan efisiensi eksergi ialah panas laten dengan tingkat korelasi sebesar R2=0.96, dibandingkan parameter panas spesifik (R2=0.69), volume spesifik (0.61), suhu kritis (R2=0.20), dan tekanan kritis (R2=0.1). Kendati Benzene mempunyai efisiensi eksergi tertinggi, namun juga mempunyai sifat yang mudah terbakar dan mempunyai tekanan operasi pada evaporator dan kondensor sangat rendah. Oleh karena itu pada tahap penentuan komponen dan pengujiannya digunakan fluida kerja R134a berdasarkan pertimbangan keamanan dan ketersediaan di pasar.

SRO dipabrikasi dengan menggunakan ekspander hasil pembalikan kompressor, dan karakteristik ekspander dari pembalikan kompresor tersebut dianalisis. Karakteristik awal kompressor menunjukan nilai rata-rata rasio suhu 1.84 dan rasio tekanan 1.44. Berdasarkan uji performansi SRO, ekspander hasil pembalikan kompressor mempunyai rata-rata rasio tekanan dan rasio suhu berturut-turut ialah sebesar 1.33 dan 1.26. Mesin SRO yang dipabrikasi mampu menghasilkan daya mekanik hasil pengukuran tertinggi sebesar 28.09 W, yang dicapai saat suhu keluar evaporator sebesar 56.6 oC. Selanjutnya diketahui bahwa semakin tinggi suhu evaporator cenderung menghasilkan daya mekaniknya yang juga semakin tinggi. Efisiensi energi ekspander terbesar pada penelitian ini ialah sebesar 12.34%, sedangkan efisiensi isentropik siklus ekspansi rata-rata yang diperoleh adalah sebesar 77.66%. Berdasarkan analisis kemampu-balikan didapatkan bahwa ekspander yang merupakan hasil pembalikan kompresor masih cukup efektif digunakan pada mesin ORC, sebagaimana ditunjukan oleh hubungan antara rasio tekanan dengan efisiensi isentropis dan laju pembangkitan entropinya.

Converting low temperature waste heat to electric power is one of the solutions in the midst of the fossil energy crisis issue. One of the thermodynamic cycles of low temperature heat conversion to produce work is the Organic Rankine Cycle (ORC). However, the lower the temperature of the heat source, the smaller its conversion efficiency to usable work. In order to optimize ORC performance, it is necessary to investigate and evaluate the level of irriversibility (irreversibility) of the process. Therefore, the objectives of this study are: 1) to build a mathematical model in order to simulate and select the appropriate ORC working fluid based on exergy analysis; 2) to evaluate the performance of a compressor-reversed expander to be used in ORC based on entropy generation principles. This research begins with the construction of a mathematical model based on the principle of entropy generation in order to determine suitability of the ORC working fluid. Furthermore, fabrication ORC system was carried out, and its performance was tested based on the selected working fluid. Finally, analysis of entropy generation was carried out on the ORC performance test results. Entropy generation analysis was carried out to select 30 organic working fluids at evaporator outlet temperature of 60 oC. It was found that the best working fluid based on exergy efficiency was Benzene, which was 6.41%. Toluene was the organic working fluid which has the highest energy efficiency of 7.75%. Some organic working fluids experience an increase in exergy efficiency in line with the increase in the expander inlet temperature. As for the work, the output has increased linearly in line with the increase in the expander inlet temperature. Meanwhile, latent heat showed highest sensitivity to exergy efficiency change with a correlation level of R2 = 0.96, compared to specific heat (R2 = 0.69), specific volume (R2 = 0.61), critical temperature (R2 = 0.20), and critical pressure (R2 = 0.1). Although Benzene had the highest exergy efficiency, it is flammable and had a very low operating pressure on the evaporator and condenser temperature. Therefore, considering its safety and market availability, R134a was used as working fluid for component determination and testing. ORC installation was manufactured by using expander from a reversed compressor, and the characteristic of the compressor-reversed expander was evaluated. Originally, the compressor has an average temperature ratio of 1.84 and a pressure ratio of 1.44. Meanwhile, based on the ORC performance test, the expander has an average pressure ratio and temperature ratio of 1.33 and 1.26, respectively. The manufactured ORC was capable of producing mechanical power of 28.09 W, which was achieved at evaporator’s outlet temperature of 56.6 oC. It was also found that higher evaporator temperature would result in higher mechanical power. The highest energy efficiency of the expander was 12.34%, and the average isentropic efficiency of the expansion cycle was 77.66%. Based on the reversibility analysis, the compressor-reversed expander performed well for the ORC machine, as indicated by the relationship between the pressure ratio with the isentropic efficiency and the entropy generation rate.