Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## KARAKTERISASI TEKANAN AIR PANAS PADA ORGANIC RANKINE CYCLE BERBASIS SOLAR KOLEKTOR PIPA SIRIP JENIS LONGITUDINAL
Dwi Yanto 1 , Yogi Sirodz Gaos 2 , Hablinur Alkindi 3
123 Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: dwi27yanto@gmail.com

## ABSTRAK
Sistem Organic  Rankine  Cycle (ORC)  Kolektor  Surya  menggunakan  air  sebagai  fluida  dan  sistem sirkulasi  air  panas.  Pipa  sirip  jenis longitudinal  digunakan  karena jenis  pipa  yang  sangat baik  untuk aplikasi perpindahan panas. Tekanan dalam laju aliran sirkulasi air panas berpengaruh terhadap sistem ORC agar berjalan secara optimal. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan perhitungan jumlah tekanan pada sistem sirkulasi air panas untuk mengetahui apakah terdapat head loss ( mayor dan minor ) yang terjadi dan faktor yang mempengaruhi terjadinya head loss pada sistem sirkulasi air panas. Dari hasil pengujian dan perhitungan dalam menganalisis tekanan pada sistem sirkulasi air panas, diperoleh data head loss  mayor sebesar  3,093769m, head loss minor sebesar  2,762065 m,  dan head  loss pada evaporator sebesar  0,00002  m,  dengan  total head  loss sebesar  5,855853m.  Berdasarkan  hasil perhitungan, penggunaan pipa sirip longitudinal pada sistem perpipaan sirkulasi air panas tidak bekerja secara  optimal  karena head  loss yang  terjadi  pada  pengujian  ini  lebih  besar  dari  pada head  loss perhitungan teoritis yakni 17m berbanding dengan 5,855853m, terdapat selisih yang cukup besar yakni sebesar 11,144147m. Faktor yang mempengaruhi terjadinya head loss pada sistem sirkulasi air panas yaitu banyaknya sambungan las pada pipa, kekasaran ekivalen pada material pipa, dan jenis material serta diameter pipa yang beragam sehingga tekanan air yang terjadi pada saat sirkulasi berubah-ubah.
Kata kunci :  evaporator, head loss, ORC,  sirkuliasi air panas, tekanan.

## ABSTRACT
Organic Rankine Cycle (ORC) System Solar collectors use water as their working fluid and the hot water  circulation  system.  Longitudinal  fin  pipe  is  used  because  it  is  very  good  for  heat  transfer applications. Pressure in the hot water circulation flow rate influences the ORC system to run optimally. Therefore, in this study, the calculation of the amount of pressure in the hot water circulation system was carried out to find out whether there is a head loss (major & minor) that occurs and the factors that  influence  of  head  loss  in  the  hot  water  circulation  system.  Based  on  he  results  of  testing  and calculations in analyzing the pressure in the hot water circulation system, data is obtained: head loss along the hot water circulation flow, including the major head loss of 3,09376 m, minor head loss of 2,762065m, and the head loss in the evaporator of 0,00002 m, with a total head loss of 5,855853m. Based on the results of calculations, the use of longitudinal fin pipes in hot water circulation piping systems does not work optimally because the head loss that occurs in this test is greater than the head loss theoretical calculation which is 17m compared to 5,855853m, there is a considerable difference of 11, 144147m. The factors influencing the occurrence of head loss in the hot water circulation system include the number of welded joints in the pipe, the roughness equivalent to the pipe material, and the variety  of  material  types  and  pipe  diameters,  so  that  water  pressure  occurs  when  the  circulation changes.
Keywords : evaporator, head loss, hot water circulation, pressure, ORC.

## 1. PENDAHULUAN
Kebijakan
energi berkelanjutan ( sustainable energy ) semakin mendapat perhatian yang luas seiring dengan peningkatan pemanasan global. Kebijakan ini mempunyai dua kata kunci, yaitu  peningkatan  efisiensi  energi  dan  usaha-
usaha  mencari  sumber-sumber  energi  baru  dan terbarukan.
Sebuah  inovasi  untuk  dapat  memenuhi kebutuhan akan ketersediaan listrik salah satunya adalah Organic  Rankine  Cycle ( ORC) . ORC dikembangkan  oleh  William  John  Macqourn
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Rankine  pada  desember  1872. ORC merupakan siklus  pembangkit  listrik  yang  menggunakan cairan  organik  bukan  air  sebagai  fluida  kerja. Siklus  ORC  dapat  disesuaikan  dengan  kisaran suhu  yang  besar  untuk  menghasilkan  energi, terutama untuk energi pada suhu rendah di bawah 120°C  (Ksayer,  2011).  Sistem  ini menggunakan temperatur dan tekanan rendah untuk menghasilkan  uap refrigeran .  Uap rifrigeran tersebut  digunakan  untuk  menggerakan  turbin yang terkopel dengan generator yang selanjutnya akan mampu menghasilkan energi listrik (Ksayer, 2011).
Pada  umumnya  ORC  untuk  sistem sederhananya memiliki empat komponen utama, yaitu  pompa, evaporator ,  turbin  dan  kondensor. Pompa  merupakan  salah  satu  dari  komponen penting  dari  sistem  ini,  salah  satu  pompa  pada sistem  ORC Solar  thermal berfungsi  untuk mensirkulasikan  fluida  panas.  Fluida  panas tersebut berfungsi untuk menguapkan fluida kerja di dalam evaporator (Kreith, 1997). Pada sistem ORC solar  thermal ,  sirkulasi  air  panas  melalui beberapa  komponen  diantaranya  pompa,  solar kolektor, evaporator ,  dan bladder  tank serta komponen  pendukung,  seperti  pipa.  Untuk peningkatan optimasi pada ORC teradapat 5 poin penting  yang  perlu  diperhatikan  yaitu  jenis sumber panas yang digunakan, jenis fluida yang bekerja,  komponen  penyusun  ORC,  strategi dalam  mengatur  penggunaan  ORC,  dan  ukuran dan desain dari ORC (Lecompte, et al, 2015)
Dalam  pemilihan  pompa  untuk  sirkulasi air  panas  diperlukan  beberapa  data  yang merupakan  input  awal  sebelum  menentukan pilihan dan jenis pompa yang dipergunakan. Data yang  diperlukan  adalah  debit  aliran,  temperatur, tekanan,  densitas,  kecepatan  aliran  fluida  di dalam pipa, pressure drop blader tank , pressure drop  evaporator dan  aliran  serta head yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair yang akan dipompa (Sularso dan Tahara, 2000).
Penelitian  ini  berfokus  pada  pemberian informasi  tentang  analisis  kapasitas  dan head  loss pompa  sirkulasi  air  panas  dan pressure  drop yang terjadi pada setiap komponen yang dilalui aliran panas pada  sistem  ORC  Kolektor  Surya.Data  yang  akan digunakan yaitu head loss mayor, minor, evaporator, dan total head loss .

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan metode  eksprimen  dan  simulasi.  Adapun  alat  yang
diuji  pada  penelitian  yakni ORC Solar  Kolektor. Skema penelitian ORC Solar Kolektor dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 2 menjelaskan mengenai proses dalam melakukan  penelitian  ORC  ini.  Studi  pustaka dilakukan  untuk  mendapatkan  sumber  referensi terkait  ORC  dan  penggunaan  pompa.  Selanjutnya, melakukan  pengujian  pada  alat  ORC.  Data  yang didapatkan yaitu tekanan, head loss mayor dan minor .
Gambar 1. Skema ORC Solar Kolektor
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Data hasil pengujian sirkulasi air pada sistem ORC Solar Kolektor
Dalam melakukan uji eksperimen pompa air pada  sistem  ORC  didapatkan  data-data  hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 3 dan Tabel 1.  Gambar  3  menunjukkan  bahwa  suhu  masuk memiliki nilai yang tinggi dibandingkan dengan suhu keluar dan suhu lingkungan. Kemudian pada Tabel  1  dapat  dilihat  bahwa  nilai  tekanan  yang dihasilkan relative stabil, hanya pada tekanan di evaporator  terdapat  kenaikan  pada  pengambilan data pukul 10 ke pukul 13.
Tabel  1.  Data  hasil  pengujian  tekanan  (P)  aliran dengan alat pressure gauge Waktu P 10.00 WIB 13.00 WIB 15.00 WIB P out pompa solar collector 1,93 Bar 1,93 Bar 1,93 Bar
P in pompa solar collector 0,26 Bar 0,26 Bar 0,26 Bar P in tabung Evaporator 0,62 Bar 0,86 Bar 0,86 Bar
Di bawah ini terdapat grafik nilai tekanan hasil pengukuran pressure gauge .
Berdasarkan  gambar  4,  data  hasil  pengujian tekanan,  aliran 𝑃 𝑜𝑢𝑡 = 1,93 𝐵𝑎𝑟 = 193053 𝑃𝑎 𝑃 𝑖𝑛 0,26 𝐵𝑎𝑟 = 26664 𝑃𝑎, temperatur air = 37°C, densitas (ρ) = 993,37 kg/m 3 dan percepatan gravitasi (g)  =  9,81 m/s 2 ,  dengan  begitu  beda  tekanan  yang terjadi di sepanjang aliran pipa dan komponen ORC dapat  dihitung  menggunakan  rumus  (1)  dan menghasilkan tekanan pipa delta P sebesar 17m.
∆𝑃 = 𝑃 𝑜𝑢𝑡 −𝑃 𝑖𝑛 𝜌.𝑔 (1)
= 193053−26664 993,37×9,81 = 166389
9744 = 17 𝑚

## 3.2 Hasil simulasi pressure drop evaporator
Gambar  5  menunjukkan  hasil  simulasi CFD  evaporator.  Kecepatan  inlet  memiliki  nilai maksimum  (berwarna  merah)  sebesar  29,54 mm/s. Tekanan inlet berwarna merah yang berarti sebesar  1,27  Pa.  Outletnya  memiliki  warna  biru yang  berarti  memiliki  kecepatan  minimum  dan tekanan yang sangat rendah.
Gambar  3.  Grafik  hubungan  antara  temperatur terhadap waktu
Gambar 4. Hasil pengukuran pressure gauge
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5 55 105 155 205 255 T em p er atu r (° C) Waktu (menit) T in Pompa T out Pompa T Lingkungan 1.93 0.86 0.26 0 0.5 1 1.5 2 2.5 P out pompa P in tabung Evaporator P in pompa
Tekanan (bar)
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## 3.3 Data hasil simulasi evaporator
Data hasil simulasi evaporato r diperlihatkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil simulasi evaporator Turbulent incompressibe On Turbulent Model Standard K-Epsilon Intelligent Wall Formulation Off Mass Flow In 869.023 g/s Volume Flow in 875.000 𝑚𝑚 3 /𝑠 Inlet Bulk Pressure 0.72 Pa Outlet Bulk Pressure 0.52 Pa Mass Flow Out -872.975 g/s Volume Flow Out -879.890 𝑚𝑚 3 /𝑠
Dilihat dari hasil simulasi P 1 = 0,72 Pa dan P 2 =  0,52  Pa.  Perhitungan head  losses dapat dihitung  dengan  menggunakan  rumus  dari penurunan rumus Bernoulli.
∆𝑃 𝜌𝑔 = 𝑃 1− 𝑃 2 𝜌𝑔 = 0.72−0,52 933,37×9,81 = 2,1 × 10 −5 m

## 3.4 Perhitungan head
Hubungan  antara  faktor  gesekan  ( f ), bilangan  Reynolds  (Re)  dihitung  untuk  aliran turbulen,laminar dan transisi, data hasil pengukuran fisik alat uji dan pengujian yang telah dilakukan  digunakan  untuk  menghitung  nilai faktor  gesekan, f pada  aliran  turbulen  dan laminar,  adapun  data  yang  digunakan  sebagai parameter perhitungan adalah sebagai berikut : Parameter  yang  diperoleh dari  pengujian adalah:
1. Temperatur fluida, ( 𝑡 ) = 37°C
2. Density, ( 𝜌) = 993.37 kg/ 𝑚 3
3. Viscosity , ( 𝜇 ) = 6,91 × 10 −4 Pas
4. Debit,  (Q)  =  0,875 𝑘𝑔/𝑠 =  0,000875 𝑚 3 /s 5. Percepatan grafitasi, ( 𝑔) = 9,81 m/ 𝑠 2
6. Berat  jenis  fluida,  ( 𝛾) =  9735  N/ 𝑚 3 = 992,7 kgf/ 𝑚 2
7. Pressure drop out pompa solar kolektor (P) = 28 Bar
8. Pressure  drop  in pompa  solar  kolektor (P) = 0,26 Bar
9. Pressure  drop  in evaporator, ( 𝑃 )  =  0,86 Bar 10. Rugi-rugi tekanan dalam pipa
evaporator (h) = 0,338 Kpa = 0,0347 m

## 3.5 Perhitungan major head loss
Perhitungan major head loss sebagai berikut: 𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 = 𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 1 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 2 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 3 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 4 𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 =  0,144573 + 0,001291 + 0,047903 +  2.9  = 3,093767 𝑚 Jadi  besarnya major  head  loss pada  pipa keseluruhan sebesar 3,093767 m.

## 3.6 Perhitungan Minor Head Loss
Berikut  perhitungan minor  head  loss yang terjadi pada pipa sebagai berikut:
𝐻 𝐿𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 = 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 1 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 2 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 3 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 4 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 5 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 6 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 7 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 8 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 9 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 10 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 11 𝐻 𝐿𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 = 0,123224 + 0,18234 + 0,8 + 0,004058 + 1,1 + 0,00258 + 0,038 + 0,01 + 0,008
+ 0,025 + 0,468863 =  2,762065 𝑚

## 3.7 Perhitungan Total Head Losses
Total head  losses yang  terjadi  pada  pipa keseluruhan dapat dihitung sebagai berikut: 𝐻 𝐿 =   𝐻 𝐿 𝑚𝑎𝑗𝑜𝑟 + 𝐻 𝐿 𝑚𝑖𝑛𝑜𝑟 + 𝐻 𝐿 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐻 𝐿 = 3,093767 +  2,762065  + 0,000021 = 5,855853 m Total head  loss yang  terjadi  pada  sistem sirkulasi air panas.
Gambar 6. Grafik total head losses
17 5.855853 0 5 10 15 20 Eksperimen Perhitungan Teoritis Head Loss (m) Head Loss (m)
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  sudah dilakukan oleh Rizal (2014) dan dilihat dari hasil perhitungan head  loss yang  telah  dilakukan menunjukan  bahwa pressure  drop yang  terjadi pada suatu system instalasi pemipaan dilatarbelakangi  oleh  banyaknya  pengunaan komponen pipa, panjang pipa dan jenis pipa yang digunakan.
Pada Gambar 6 menunjukkan hasil eksperimen dan hasil perhitungan teoritis terlihat perbedaan  dengan  selisih  sebesar  11,144147 m , head  loss hasil  eksperimen  lebih  besar  daripada head  loss hasil  perhitungan  teoritis.  Setelah dianalisa  hal  ini  disebabkan  oleh  beberapa  hal diantaranya :
1. Sambungan pipa, pada sistem perpipaan sepanjang  aliran  sirkulasi  air  panas banyak menggunakan sambungan las.
2. Kekasaran  ekivalen  pada  material  pipa berdasarkan sumber tabel standar kekasaran pipa material kontruksi umum, kekasaran  ekivalen  pipa  yang  dihitung kemungkinan  berbeda  atau  tidak  akurat karena tidak  dihitung menggunakan  alat ukur surface raughness tester .
3. Jenis  material  dan  diameter  pipa  yang beragam,  sehingga  tekanan  air  yang terjadi  pada  saat  sirkulasi  berubah-ubah sehingga memungkinkan terjadinya head loss.

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  hasil  pengujian  tekanan  pada sistem  sirkulasi  air  panas  dalam  sistem  ORC Solar  Kolektor  dapat  diperoleh  kesimpulan sebagai  bahwa  terjadi head  loss di  sepanjang aliran sirkulasi air panas, diantaranya yakni head loss mayor sebesar 3,093767 m , head loss minor sebesar  2,762065  m,  dan head  loss pada evaporator sebesar 0,000021 m.
Head loss yang terjadi pada sistem sirkulasi air  panas  dipengaruhi  oleh  banyaknya  jumlah sambungan  las  dan  belokkan  pada  pipa,  serta kekasaran  ekivalen  pada  material  pipa,  dengan total head loss sebesar 5,855853 m .
Penggunaan  pipa  sirip  longitudinal  pada sistem perpipaan sirkulasi air panas tidak bekerja secara optimal, karena head loss yang terjadi pada pengujiaan  ini  lebih  besar  dari  pada  head  loss perhitungan  teoritis  yakni  17  m  berbanding 5,855853  m,  terdapat  selisih  yang  cukup  besar yakni sebesar 11,144147 m.
Penelitian  lanjutan  terkait  ORC  Solar Kolektor  ini  bisa  berfokus  pada  pemilihan  jenis pipa  yang  digunakan  pada  sistem  sirkulasi  air panas  ini  dan  penggunaan  sambungan  las  dan belokan  pipa  yang  lebih  sedikit  supaya  dapat menghindari head loss .

## REFERENSI
Kreith,  F.  (1997). Prinsip-prinsip  perpindahan panas (3 ed.). Jakarta: Erlangga.
Ksayer,  E.  B.  L.  (2011).  Design  of  an  ORC system  operating  with  solar  heat  and producing  sanitary  hot  water. Energy
Procedia, 6 , 389-395. doi:
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.05 .045
Lecompte, S., Huisseune, H., Van Den Broek, M., Vanslambrouck,  B.,  &  De  Paepe,  M. (2015). Review of organic Rankine cycle (ORC)  architectures  for  waste  heat recovery. Renewable  and  sustainable energy reviews , 47 , 448-461.
Rizal,  Y.  (2014).  Analisa  pressure  drop  pada instalasi  pipa  alat  uji  rugi-rugi  aliran mengunakan  CFD  Fluent  6.0. Jurnal APTEK, 5 (1), 45-56.
Sularso,  Tahara,  H.  (2000). Pompa  dan kompresor . Jakarta: Pradnya Paramitha.