## Perbandingan Performansi  Sistem ORC Dengan Varian R-216CA, R- 112a, R-141b dan n-Pentane Menggunakan Aspen HYSYS
Siwan Ediamanta Peranginangin 1,* , Sindak Hutauruk 2
1 Prodi Teknik Mesin, Fak. Teknik, Universitas HKBP Nommensen, Medan 20234
2 Prodi Teknik Elektro, Fak. Teknik, Universitas HKBP Nommensen, Medan 20234
* siwan.peranginangin@uhn.ac.id

## Abstract
One  of  the  generation  systems  that  are  widely  used  in  various  power  generation industries  is  the  Organic  Rankine  Cycle.  This  cycle  has  the  advantage  of  a  low evaporation  point  compared  to  the  ordinary  steam  turbine  cycle.  The  use  of refrigerants is the key to the ORC system. Refrigerant is a fluid with quite unique characteristics  and  many  types.  This  study  discusses  the  use  of  various  types  of refrigerants  used  in  the  ORC  system,  namely  R-216CA,  R-112a,  R-141b  and  n- pentane. By using the Aspen Hysys luna device, we can compare the performance of each Refrigerant Variant of the ORC system. With the same input parameters in  each  variant,  namely  for  the  incoming  refrigerant  temperature  is  600C  with  a pressure of 450 Kpa, the pump exit pressure is 4000 Kpa, the results are obtained from the Pump Work, Q Condenser, Q Boiler and the resulting turbine power. The result  is  that  the  ORC  system  with  refrigerant  n-Pantene  has  a  high  value  for Pump  Work,  Q  Condenser,  Q  Boiler  and  Turbine  Power  produced,  but  when compared to performance, the System with Refrigerant with R-112a has a higher efficiency value when assessed from its performance.
Keywords : Performance, ORC System, ASPEN HYSYS

## 1. PENDAHULUAN
Organic  Rankine  Cycle  (ORC)  merupakan  salah  satu  pembangkit  listrik  dengan temperatur  rendah[1-2],  cairan  massa  molekul  tinggi  organik  dengan  cairan-uap perubahan fasa, atau titik didih , terjadi pada suhu lebih rendah dari perubahan fasa air- uap.  Prinsip  kerja  siklus  Rankine  organik  adalah  sama  dengan  siklus  Rankine  :  fluida kerja  dipompa  ke  boiler  di  mana  ia  diuapkan[3,6],  dilewatkan  melalui  perangkat ekspansi  turbin,  sekrup,  gulir,  atau  ekspander  lainnya,  lalu  melalui  penukar  panas kondensor yang akhirnya akan dikondensasi ulang. ORC saat ini banyak diminati untuk dikembangkan  dan  diaplikasikan  karena  penggunaan  turbin  konvensional  digerakan dengan bahan bakar fossil yang dapat menyebabkan permasalahan lingkungan[8-9].
Permasalah  lingkungan  yang  dapat  disebabkan  karena  polusi  udara,  pemanasan global, kebocoran lapisan ozon, dan juga Hujan asam. Berbagai penelitian terkait ORC baik secara simulasi maupun eksperimen sudah  banyak dilakukan berdasarkan analisis terhadap sumber energi panas, fluida kerja maupun pengembangan design turbin. Salah satu  penelitian  tersebut  adalah  penggunaan  sumber  panas  dari  sinar  matahari  dengan panel  plat  datar,  sedangkan  fluida  kerjanya  menggunakan  R245fa  dan  R123[2].  Hasil penelitian  tersebut  menunjukkan  bahwa  refrigeran  R245fa  dan  R123  mempunyai performansi  effisiensi  lebih  baik  dibandingkan  penggunaan  refrigerasi  Isobutane  dan R134a.  Kemudian,  simulasi  dengan  perbandingan  optimasi  untuk  8  fluida  kerja,  yaitu HFE7000, HFE7100, PF5050, R123, n-pentane, R245fa, R134a dan Isobutane[4,5,10], dimana  simulasi  ini  ditunjukan  untuk  sumber  panas  dari  panas  matahari,  panas  bumi, biomass, dan recovery dari panas buang ( thermal waste ).
Hasil  dari  penelitian  berupa  susunan  effisiensi  berdasarkan  methode  spinal  point dari yang tertinggi secara berturut-turut adalah HFE7000, HFE7100, PF5050, R123, n- pentane,  R245fa,  R134a,  Isobuthane.  Secara  umum  banyak  jenis  refrigerant  yang dipakai  sebagai  fluida  kerja  untuk  ORC[6].  Dalam  kasus  penelitian  ini  akan membandingan  beberapa  jenis  fluida  kerja  atau  refrigerant  yang  umumnya  dipakai  di Sistem  Pembangkit  ORC,  hal  ini  bertujuan  agar  melihat  performansi  dari  setiap  siklus dengan fluida kerja  yang berbeda,  yang nantinya  dapat sebagai dasar untuk diterapkan di dunia industri atau sebagai rujukan untuk penelitan selanjutnya.
Untuk  mempermudah  penelitian  tentang  perbandingan  sistem  pembangkit  ORC dengan  variasi  fluida  kerja/Refrigerant,  maka  digunakan  metode  simulasi  agar mempermudah  penyelesaian.  Metode  ini  sudah banyak  digunakan,  dan  terbukti  efektif dan  efisien.  Perangkat  lunak    yang  digunakan  untuk  membantu  menyelesaikan penelitian  ini  adalah  Aspen  Hysys[6,7].  Perangkat  lunak  ini  sudah  digunakan  banyak peneliti  untuk  mendapatkan  hasil  yang  ukurat  dalam  menyelesaikan  persoalan  dalam bidang  teknik  terskusus  bidang  teknik  kimia  dan  teknik  mesin,  dalam  hal  ini  Aspen Hysys  berguna  untuk  membantu  menyelesaikan  persoalan  Sistem  Pembangkit  ORC yang berhubungan dengan Termodinamika.

## 2. METODE
Dalam studi ini Aspen Hysys digunakan untuk memodelkan siklus Rankine Organik sistem  ditunjukkan  pada  gambar  1.  Aspen  plus  adalah  perangkat  lunak  berbantuan komputer  yang  menggunakan  hubungan  fisik  yang  mendasarinya  (misalnya, keseimbangan  material  dan  energi  kesetimbangan  termodinamika,  persamaan  laju) untuk  memprediksi  kinerja  proses  (misalnya,  properti  aliran,  kondisi  operasi,  dan ukuran  ekuilibrium).  Analisis  proses  mungkin  melibatkan  penggunaan  sarana eksperimental  untuk  memprediksi  dan  memvalidasi  kinerja.  Kemudian  pada  proses simulasi,  kita  perlu  memberikan  input  proses  awal  proses  awal,  flow  sheet  dan diperlukan  untuk  memprediksi  output  proses.  Dalam  proses  simulasi  di  penelitian  ini, menggunakan  3  jenis  fluida  kerja/Refrigeran  yaitu  R-216CA,  R-112a,  R-141b  dan  n- pentane.  Refrigerant  jenis  ini  biasa  digunakan  untuk  fluida  kerja  Siklus  Rankine Organik di setiap pembangkit listrik.
Gambar 1. Proses Keluarga
Skema  diagram  satu  tahap  dengan  siklus  Rankine  Organik  penukar  panas  internal ditunjukkan pada gambar 2. Pada gambar tersebut juga disajikan diagram p-h. Terlihat bahwa komponen sistem terdiri dari satu Pompa, kondensor, penukar panas internal, dan evaporator.
Process Simulasi Aspen Hysys (Input parameter) Process Input (Given) Process
Output
Gambar 2. P-h Diagram Siklus Rankine Organik
Pompa  berperan  penting  untuk  mensuplai  fluida kerja  Refrigeran  .  Persamaan  yang mendasari analisis siklus Rankine Organik  dapat dihitung dengan.
Ẇ p = ṁ 1 (h 2 – h 1 ) (1)
Di mana untuk menghitung Panas yang diserap Boiler. = ℎ − ℎ (2)
Untuk menghitung Kerja yang dihasilkan oleh Turbin dapat di hitung dengan
Ẇ T = ṁ 1 (h 3 – h 4 ) (3)
Untuk menghitung Panas yang dibuang Kondensor.
= ℎ − ℎ (4)
Efisien thermal siklus Rankine Organik sederhana dapat dihitung :
= = (5)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis simulasi di Hysys menggunakan dengan 3 variasi Refrigerant sebagai fluida kerja siklus Rankine Organik. Yaitu R-216CA, R-112a, R-141b dan n-Pentane. Kondisi batas  untuk  simulasi  disetiap  varian  diperlakukan  sama.  Untuk  temperatur  refrigrant masuk  adalah  60 0 C  dengan  tekanan  450  Kpa,  Tekanan  keluar  pompa  4000  Kpa. Simulasi ini menggunakan alat penukar panas yang digunakan sebagai Pre Heater yang bertujuan untuk meningkatkan Efisiensi Siklus Rankine Organik. Untuk kapasitas fluida kerja adalah 40.000 kg/j. Gambar 3. menunjukkan Flow Sheet simulasi Siklus Rankine Organik dengan Pre Heater yang disimulasikan di Software Aspen Hysys.
Gambar 3. Flow sheet Siklus Rankine Organik dengan Pre Heater
Tabel 1. Perbandigan performansi ORC dengan Varian Refrigerant
Refrigerant W Pompa (KW) Q Kondensor (Kj/jam) Q Boiler (Kj/jam) W Turbin (KW) R-216Ca 35.35 1.05E+07 1.21E+07 468.1 R-112a 34.49 1.05E+07 1.21E+07 500.2 R-141b 45.32 1.21E+07 1.51E+07 859.9 n-Pentane 90.07 3.14E+07 3.62E+07 1334

## 3.1.Kerja Pompa
Dari  hasil  simulasi  didapatkan  nilai  dari  kerja  pompa  untuk  siklus  rankine  organik dengan  fluida  kerja  n-Pentane  mempunyai  nilai  yang  lebih  tinggi  sebesar  90.07  Kw dibandingan dengan 3 jenis Refrigerant yang lain seperti R-216CA, R-112a, R-141b.
Gambar 4. Grafik Perbandingan Kerja Pompa ORC
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R216CA r112a R-141b n-Pentane W P o m p a ( K W ) Refrigerant W Pompa (KW)

## 3.2.Panas yang dibuang Kondensor
Untuk  panas  yang  dibuang  kondensor  setiap  siklus  rankine  organik  dengan  fluida kerja  n-Pentane  mempunyai  nilai  yang  lebih  tinggi  sebesar  3.13x10 4 Kj/Jam dibandingan dengan 3 jenis Refrigerant yang lain seperti R-216CA, R-112a, R-141b.

## Gambar 5. Grafik Perbandingan Q Kondensor ORC

## 3.3.Panas yang diserap Boiler
Untuk panas yang diserap boiler setiap siklus rankine organik dengna fluida kerja n- Pentane  mempunyai  nilai  yang  lebih  tinggi  sebesar  3.62x10 4 Kj/Jam  dibandingan dengan 3 jenis Refrigerant yang lain seperti R-216CA, R-112a, R-141b.
Gambar 6. Grafik Perbandingan Q Boiler ORC
0,00E+00 5,00E+06 1,00E+07 1,50E+07 2,00E+07 2,50E+07 3,00E+07 3,50E+07 R216CA r112a R-141b n-Pentane Q K o n d e n so r (K j/ k g )) Refrigerant Q Kondensor (kj/kg) 0,00E+00 5,00E+06 1,00E+07 1,50E+07 2,00E+07 2,50E+07 3,00E+07 3,50E+07 4,00E+07 R216CA r112a R-141b n-Pentane Q B o il e r (K j/ k g )) Refrigerant Q Boiler (jk/Jam)

## 3.4. Daya yang dihasilkan Turbin
Untuk daya Turbin yang dihasilkan setiap siklus rankine organik dengna fluida kerja n-Pentane mempunyai nilai yang lebih tinggi sebesar 1334 Kw dibandingkan dengan 3 jenis Refrigerant yang lain seperti R-216CA, R-112a, R-141b.

## Gambar 7. Grafik Perbandingan Daya Turbin ORC

## 3.5. Performansi Setiap Varian Refrigerant
Performansi  dari  setiap  varian  Refrigerant  siklus  rankine  organik  menunjukkan Siklus ORC dengan fluida kerja R-141b mempunyai nilai performansi yang lebih besar dari fluida kerja jenis yang lain.
Gambar 8. Grafik Perbandingan Performansi ORC

## 4. KESIMPULAN
Hasilnya  Sistem  ORC  dengan  Refrigerant  n-Pantene  mempunyai  nilai  yang  tinggi untuk  Kerja  Pompa,  Q  Kondensor,  Q  Boiler  dan  Daya  Turbin  yang  dihasilkan,  tetapi
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 R216CA r112a R-141b n-Pentane W T u rb in ( K W ) Refrigerant W Turbin (KW)
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Refrigerant R216CA r112a R-141b P e rf o rm a n si Refrigerant Performansi
bila  dibandingkan  performansinya  maka  sistem  dengan  refrigerant  dengan  R-112a mempunyai nilai efisiensi yang lebih tinggi bila dikaji dari performansinya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Torres.  Agustin  M.  Delgado,  Lourdes  Garcia-Rodriquez.  Journal  of  Energy Conversion andManagement 51 (2010) 2846 – 2856
[2] Qiu. Guoquan. Journal of Renewable Energy 48(2012) 565 – 570
[3] Siwan  Ediamanta  Perangin-angin  et  all,  “Perbandingan  Performansi  4  Variasi Siklus Kompresi Uap 2 Tingkat” SJoME Vol. 2 No. 1, Agustus 2020
[4] Wang.  Man,  Jiangfeng.  Wang,  Yuzhu.  Zhao,  Pan.Zhao,  Yiping.  Dai.  Journal  of Applied ThermalEngineering 50 (2010) 816 – 825
[5] Qiu. Guoquan. Journal of Renewable Energy 48 (2012) 565 – 570
[6] Wijayanto, Nurheni. Nurunnajah. Jurnal Silvikultur Tropika 03 (2012) 8 – 13.
[7] Zuming  Liu,  I  A  Karimi,  “Simulation  of  a  Combined  Cycle  Gas  Turbine  Power Plant In Aspen HYSYS”, Energy Procedia 158 (2019) 3620–3625.
[8] Oyedepo  SO,  Fagbenle  RO,  Adefila  SS,  Adavbiele  SA.  Performance  evaluation andeconomic  analysis  of  a  gas  turbine  power  plant  in  Nigeria.  Energy  Convers Manage 2014, 79:431–40.
[9] Zhang  N,  Cai  R.  Analytical  solutions  and  typical  characteristics  of  part-load performancesof  single  shaft  gas  turbine  and  its  cogeneration.  Energy  Convers Manage 2002, 43:1323–2337.
[10] Yufei  Wang,  Qikui  Tang,  Mengying  Wanga,  Xiao  Feng.”Thermodynamic performance  comparison  between  ORC  and  Kalinacycles  for  multi-stream  waste heat recovery”.Energy Conversion and Management 143 (2017) 482–492.
[11] Bakalis DP, Stamatis AG. Full and part load exergetic analysis of a hybrid micro gasturbine  fuel  cell  system  based  on  existing  components.  Energy  Convers Manage 2012, 64:213–21.
[12] Lee  YD,  Ahn  KY,  Morosuk  T,  Tsatsaronis  G.  Exergetic  and  exergoeconomic evaluationof  a  solid-oxide  fuel-cell-based  combined  heat  and  power  generation system, Energy Convers Manage 2014;85:154–64.