AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## DESAIN DAN UJI EKSPERIMENTAL EVAPORATOR PADA ORGANIC RANKINE CYCLE
Ade Sobar 1) , Yogi Sirodz Gaos 2) , Hablinur Alkindi 3)
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Ibnu Khaldun Bogor e-mail: adesobar@gmail.com
2 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: yogi@ft.uika-bogor.ac.id
3 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: angintimur88@gmail.com

## ABSTRAK
Penelitian desain dan uji eksperimental evaporator pada organic rankine cycle telah dilakukan. Metode uji dilakukan  berdasarkan  pada  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada  evaporator  sistem  ORC.  Material  tube yang digunakan adalah SA  304  dengan  diameter luar tube 10mm,  diameter  dalam tube 7,11mm, panjang tube 1000 mm, jumlah tube 158 dengan susunan tube segi tiga, pitch tube 13 mm, dan diameter shell 200 mm,  jumlah baffle 4. Dari hasil perhitungan  yang  dilakukan  diperoleh  perpindahan panas hasil pengujian sebesar  1,07  kW  sedangkan  perpindahan  panas  hasil  desain  sebesar  5,05  kW  atau  baru  tercapai  21,19% perpindahan dari desain .
Kata kunci : Baffle, Evaporator, Perpindahan Panas , ORC, SA 304.

## ABSTRACT
This  research  is  focused  on  one  component  in  the  Organic  Rankine  Cycle  system,  evaporator.  The  calculation method is based on the heat transfer calculation stage that occurs in the ORC system evaporator. The tube material used is SA 304 with an outer diameter of 10mm, inner tube diameter of 7.11mm, length of tube 1000mm, number of tubes 158, with triangular tube arrangement, pitch tube 13mm, and shell diameter 200mm, number of baffles 4. From the calculation results, the heat transfer obtained from the test results was 1.07 kW while the heat transfer results of the design were 5.05 kW or only 21.19% of the design transfer had been achieved.
Keywords : Baffle, Evaporator, Heat Transfer, ORC, SA 304.

## 1. PENDAHULUAN
Siklus pembangkit listrik yang biasa menggunakan  air  sebagai  fluida  kerja  disebut Organic  Rankine  Cycle (ORC)  (Rohmah  et  al., 2013).  ORC  merupakan  sebuah  sistem  yang  dapat bekerja  pada  temperatur  rendah.  Oleh  karena  itu, sistem  ini  cocok  digunakan  untuk  menghasilkan listrik  dengan  menggunakan  air  panas  di  bawah temperatur  100°C  (Pikra  et  al.,  2015;  Wang  et  al., 2013).  Pemanasan  fluida  kerja  menggunakan  solar kolektor  merupakan  salah  sumber  termal  dengan hasil  temperatur  yang  tidak  begitu  tinggi.  Namun, memungkin siklus ORC bekerja dalam mengevaporasi  refrigran  menggunakan evaporator untuk  menggerakkan  turbin  yang  terkopel  dengan generator  sehingga  dapat  menghasilkan  energi listrik  (Delgado-Torres  dan  García-Rodríguez, 2010).  Salah  satu  yang  mempengaruhi  kinerja sistem  ORC  adalah evaporator ,  karena  apabila
evaporator tidak  bekerja  dengan  baik  maka  energi yang  dihasilkan  generator  akan  tidak  maksimal (Setiawan,  2011).  Atas  dasar  itulah  kajian  yang dipilih yakni mengenai perancangan evaporator .

## Alat Penukar Kalor
Alat  penukar  kalor  ( Heat  Exchangers ) adalah suatu  alat  yang  menghasilkan  perpindahan  panas dari  suatu  fluida  yang  bertemperatur  tinggi  ke fluida  yang  bertemperatur  rendah.  Alat  penukar kalor  sering  juga  disebut Rekuperator ,  merupakan penukar  kalor  dimana  satu  fluida  terpisah  dari fluida  lainnya  oleh  suatu  dinding  atau  sekat  yang dilalui  oleh  panas  (Cengel  dan  Ghajar,  2003). Contoh alat adalah kondensor, evaporator , pemanas uap, pemanas udara, dan lain-lain.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## Evaporator shell dan tube
Evaporator  shell dan tube adalah  salah  satu jenis alat penukar kalor yang menurut konstruksinya  dicirikan  oleh  adanya  sekumpulan tube  ( tube  bundles )  yang  dipasangkan  di  dalam shell dengan  dua  jenis  fluida  yang  saling  bertukar kalor  mengalir  secara  terpisah  masing-masing melalui sisi tube dan sisi shell .

## Kontruksi Evaporator Shell and Tube
Ditinjau  dari  segi  konstruksi Evaporator shell  and  tube ,  maka  secara  umum  konstruksinya dibagi dalam 4 bagian, yaitu : 1.  Bagian  depan  yang  tetap  atau Front  Head Stationary Head .
Pada  bagian  ini  terdapat  saluran  masuk  fluida yang  akan  mengalir  kedalam tube .  Dapat  dilihat pada Gambar 1. 2. Shell atau badan alat penukar kalor.
Pada  bagian  ini  merupakan  rumah  untuk tube bundle .  Antara shell dan tube-bundel terdapat fluida  yang  menerima  atau  melepaskan  panas, sesuai  dengan  proses  yang  terjadi.  Dapat  dilihan pada Gambar 1.
3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head .
Pada  bagian  ini  terdapat  saluran  keluar  fluida dari  APK  namun  dapat  masuk  kembali  kedalam tube dengan  menambahkan  sekat.  Dapat  dilihat pada Gambar 1. 4. Berkas tube atau tube bundle Di  dalam standard TEMA,  masing-masing bagian tersebut telah diberi kode dengan mempergunakan  huruf.  Bagian  depan  yang  tetap ( front end stationary ) terdiri dari 4 tipe, yaitu : tipe A, B, C, dan D. Shell alat penukar kalor terdiri dari 6  tipe,  yaitu  :  tipe  E,  F,  G,  H,  J,  dan  K.  Bagian ujung belakang  ( rear end head ) alat penukar kalor terdiri  dari 8 tipe,  yaitu  : L, M, N, P, S, T, U, dan W.
Gambar 1. Bagian-bagian dari Evaporator
(berdasarkan standar TEMA)

## Prinsip Perpindahan Panas

## Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur pada
Evaporator.
Aliran berlawanan atau counter flow
Gambar  2. Distribusi  temperatur-Panjang  (luas) tube pada evaporator dengan  aliran  berlawanan ( Counter-flow )
Perpindahan  kalor  secara  perpindahan  panas diperoleh :
(1)
 Log Mean Temperatur Difference
diperoleh :
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
( ) ( ) (         )
(         )
(2)
 Koefesien  perpindahan  panas  keseluruhan diperoleh :
Tanpa pengotoran :
(3)
 Luas perpindahan panas keseluruhan diperoleh :
(4)
Mencari  koefisien  perpindahan  panas  konveksi didalam pipa Bilangan Reynolds diperoleh :
(5)
Luas aliran sisi tube diperoleh :
(6)
Bilangan nusselt didalam tube diperoleh
(7)
Sifat-sifat  fluida  dievaluasi  pada  temperatur  rata- rata diperoleh :
̅ (8)
Mencari  koefisien  perpindahan  panas  konveksi didalam shell Bilangan Reynolds diperoleh dari yaitu :
(9)
Diameter ekivalen diperoleh :
Susunan Pipa Segitiga
( )
(10)
Luas aliran sisi shell diperoleh :
(11)
Untuk bilangan Nusselt didalam shell diperoleh
(12)
Mencari  Perpindahan  Panas  Menggunakan Metode NTU
( ) ( ) (13) Dimana ̇ ̇ (14) Jika maka Jika maka Menentukan perpindahan panas maksimum ( ) ( ) (15)
Mencari efektivitas alat penukar kalor
(16)

## Mencari rasio kapasitas (c)
(17)
Mencari NTU ( Number of Transfer Units )
√ ( √ ⁄ √ ⁄ ) (18)

## 2. METODOLOGI
Analisis perpindahan panas Evaporator sirkulasi air panas pada sistem ORC diuji di depan halaman  Laboratorium  Konversi  Energi,  Teknik Mesin,  Fakultas  Teknik  dan  Sains,  Universitas Ibnu  Khaldun  Bogor.  Pengujian  ini  dilakukan dengan  mengalirkan  fluida  air  menggunakan pompa  sentrifugal  yang  kemudian  dipanaskan menggunakan solar kolektor.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Gambar 3. Sirkulasi sistem ORC Peralatan  yang  digunakan  untuk  penelitian ini antara lain : (1) dua buah pompa sentrifugal, (2) motor  listrik,  untuk  memutar  poros  pompa,  (3) pipa,  untuk  sarana  pengaliran  fluida  atau transportasi  fluida,  (4) pressure  gauge ,  untuk mengukur  tekanan discharge dan suction ,  (5) flowmeter , untuk  mengukur debit aliran, (6) tangki penampung  air  kapasitas  550  L,  (7)  termokopel, untuk  mengukur  temperatur  air,  (8) Solar  Power Meter , untuk  mengukur intensitas tenaga  matahari, (9) instalasi listrik, untuk kebutuhan alat uji pompa sentrifugal,  (10)  Selang,  untuk  sarana  pengaliran fluida  atau  transportasi  fluida,  (11) Clamp selang, untuk mengikat selang pada komponen alat uji.

## Desain Kriteria
Evaporator yang  diuji  dalam  karya  tulis  ini adalah evaporator  shell  and  tube dengan  aliran berlawanan  ( counter  flow ).  Berikut  merupakan desain kriteria Bejana tekan :

## Karakteristik Umum
Diameter luar tube : 10 mm Diameter dalam tube : 7.11 mm Diameter dalam shell : 200 mm Jumlah tube : 158 Panjang tube : 1000 mm Pitch tube : 13 mm Jumlah shell : 1
Jumlah pass tube : 1 Jumlah baffle : 4
Susunan tube : segitiga Bahan tube 304 stainless steel dengan konduktivitas thermal tube : 21,50 ⁄

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perhitungan Data Hasil Pengujian Temperatur masuk shell : 38.26 C
Temperatur keluar shell : 37.295 C Laju aliran massa : 0.875 kg/s Temperatur masuk tube : 36.745 C Temperatur keluar tube : 36.936 C Laju aliran massa : 0.22 kg/s A. Mencari  Kalor  Yang  Berpindah  Secara Perpindahan Panas Mencari LMTD ( Log Mean Temperature Difference ) (  ) ( ) ( ) (           )
(           )

## (               ) (             )
(               )
(             )
(    ) (    )
Mencari Luas Perpindahan Panas ( )

## Mencari Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh
( )
Mencari  Koefisien  Perpindahan  Panas  Didalam Shell (ho)
Bilangan Reynolds ( )
Sifat  properties  fluida  air  dievaluasi  pada temperatur panas rata-rata ( ̅̅̅)
̅̅̅
Diperoleh
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Mencari Diameter Ekivalen (  )
( )
(        (       ) (      )
Mencari Luas Aliran Sisi Shell ( )
Dimana :
Maka

## Sehingga
( )
Untuk bilangan Nusselt didalam shell diperoleh
( ) ( )
(      ) (    )
Sehingga
Mencari  Koefisien  Perpindahan  Panas  Di  dalam Tube (  )
Bilangan Reynolds ( ) ̇
Sifat  properties  fluida  air  dievaluasi  pada temperatur dingin rata-rata ( ̅ )

## ̅

## Diperoleh
Mencari Luas Aliran Sisi Tube ( )
(       )

## Sehingga
( )

## merupakan aliran Laminer
Bilangan nusselt didalam tube diperoleh
= 0,05 x 358,84 x 4,635 x 0,01 m = 0,831m Karena maka Sehingga
Sehingga  koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh ( ) adalah
144,93 Maka
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Mencari Perpindahan Panas Menggunakan Metode NTU ( ) ( ) Dimana ̇ ̇ Karena maka Menentukan perpindahan panas maksimum ( ) ( )
(             )
Mencari efektivitas alat penukar kalor
Mencari rasio kapasitas (c)
Mencari NTU ( Number of Transfer Units )
√ ( √ ⁄ √ ⁄ ) √ ( √ ⁄ √ ⁄ )

## ( )
Perhitungan Data Desain Temperatur masuk shell : 75.00 C Temperatur keluar shell : 69.23 C
Laju aliran massa
: 1.700 kg/s
Temperatur masuk tube : 34.01 C Temperatur keluar tube : 60.00 C
Laju aliran massa : 0.238 kg/s Mencari Kalor Yang Berpindah Secara Perpindahan Panas Mencari LMTD ( Log Mean Temperature
Difference ) ( )
( ) ( ) (           )
(           )
(             ) (           )
(             ) (           ) (  ) (     ) Mencari Luas Perpindahan Panas ( )
Mencari Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( )
Mencari  Koefisien  Perpindahan  Panas  Didalam Shell (ho) Bilangan Reynolds ( )
Sifat  fluida  air  dievaluasi  pada  temperatur  panas rata-rata ( ̅̅̅)

## ̅̅̅
Diperoleh
Mencari Diameter Ekivalen (  )
( )
(        (       ) (      )
Mencari Luas Aliran Sisi Shell ( )
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Dimana :
Maka Sehingga Untuk bilangan Nusselt didalam shell diperoleh
( ) ( )
(      ) (    )
Sehingga
Mencari  Koefisien  Perpindahan  Panas  Didalam Tube (  )
Bilangan Reynolds ( ) ̇
Sifat  properties  fluida  R-134a  dievaluasi  pada temperatur dingin rata-rata ( ̅ )

## ̅
Diperoleh
Mencari Luas Aliran Sisi Tube ( )
(       )

## Sehingga
( )

## merupakan aliran Laminer
Bilangan nusselt didalam tube diperoleh Karena maka (   ) (   ) (      )
(      )

## Sehingga
Sehingga  koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh ( ) adalah
123,61 Maka
Mencari Perpindahan Panas Menggunakan Metode NTU
( ) ( )
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Dimana ̇ ̇ Karena maka Menentukan perpindahan panas maksimum ( ) ( )
(          ) Mencari efektivitas alat penukar kalor Mencari rasio kapasitas (c)
Mencari NTU ( Number of Transfer Units )
√ ( √ ⁄ √ ⁄ ) √ ( √ ⁄ √ ⁄ ) ( )

## Analisis Unjuk Kerja Evaporator
Berdasarkan  hasil  perhitungan,  didapatkan unjuk  kerja evaporator hasil  desain  dan  hasil pengujian  menunjukkan  bahwa  perpindahan  panas (q)  desain  jauh  lebih  besar  dibandingkan  dengan hasil  pengujian.  Hal  ini  disebabkan  karena parameter  temperatur  ( inlet dan outlet )  shell, temperatur  ( inlet dan outlet ) tube ,  dan  laju  aliran massa  yang  telah  didesain  berbeda  dengan  hasil saat pengujian serta jenis fluida  kerja.  Unjuk  kerja desain dan pengujian diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1. Unjuk kerja evaporator
Desain Pengujian Satuan ho 1802,79 763,38 hi 323,66 U 123,61 144,93 q 14,52 0,697

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengujian dan
perhitungan  maka  dapat  disimpulkan  sebagai berikut:
1.  Hasil  perhitungan  yang  diperoleh:  perpindahan kalor  hasil  pengujian  0,697  kW  dan  perpindahan kalor hasil desain 14,52 kW.
2. Unjuk kerja evaporator hasil pengujian masih di bawah unjuk kerja hasil desain. Hal ini disebabkan oleh berbedanya fluida kerja pengujian dan desain, serta  belum  maksimalnya  temperatur  masuk  fluida panas.

## Saran
Perlu  kajian  lebih  lanjut  untuk  menyamakan  hasil desain dan capaian hasil pengujian serta penggunaan fluida kerja yang sama.

## REFERENSI
Cengel, Y. A., Ghajar, A. J. (2003). Heat and Mass Transfer  :  Fundamentals  &  Applications .
New York  McGraw-Hill Education.
Delgado-Torres,  A.  M.,  García-Rodríguez,  L.
(2010).  Analysis  and  optimization  of  the low-temperature  solar  organic  Rankine cycle  (ORC). Energy  Conversion  and Management, 51 (12), 2846-2856.
Pikra,  G.,  Rohmah,  N.,  Pramana,  R.  I.,  Purwanto, A.  J.  (2015).  The  Electricity  Power Potency  Estimation  from  Hot  Spring  in Indonesia  with  Temperature  70-80°C Using  Organic  Rankine  Cycle. Energy Procedia, 68 , 12-21. doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.2
27
Rohmah,  N.,  Pikra,  G.,  Salim,  A.  (2013).  Organic Rankine Cycle System Preliminary Design with Corn Cob  Biomass Waste  Burning as Heat  Source. Energy  Procedia,  32 ,  200- 208. doi:
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.05.0 26
Setiawan,  S.  E.  (2011). Perancangan  Kondensor dan  Evaporator  Untuk  Organic  Rankine Cycle Dengan Fluida Kerja R-123 Sebagai Pembangkit  Listrik. (Skripsi),  Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya. Wang,  M.,  Wang,  J.,  Zhao,  Y.,  Zhao,  P.,  Dai,  Y.
(2013).  Thermodynamic  analysis  and optimization  of a solar-driven regenerative
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
organic  Rankine  cycle  (ORC)  based  on flat-plate solar collectors. Applied Thermal Engineering, 50 (1), 816-825.