Perpustakaan Digital ITB

Secara termodinamika penggunaan teknologi siklus Rankine organik superkritis untuk pembangkitan daya dari sumber-sumber energi rendah kalori menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi, penghancuran eksergi yang rendah, konstruksi yang lebih sederhana, dan lebih rendah biaya investasi dan operasional dibandingkan dengan siklus uap Rankine konvensional maupun siklus Rankine organik subkritis. Penelitian-penelitian siklus Rankine organik (SRO) superkritis terus dikembangkan yang meliputi aspek optimasi termodinamika, penentuan fluida kerja, turbin/ekspander, alat pemindah panas, dan aspek keekonomianya. Proses perpindahan panas yang terjadi dalam pemindah panas merupakan proses perpindahan energi dari sumber energi ke fluida kerja organik yang digunakan sebagai fluida kerja untuk menggerakkan turbin/ekspander guna menghasilkan daya. Pada tekanan superkritis proses perpindahan panas ini lebih baik dibandingankan dengan pada tekanan subkritis. Dalam desain pemindah panas perlu diketahui karakteristik perpindahan panas fluida kerja untuk mendapatkan kondisi yang optimal. Untuk kondisi subkritis karakteristik perpindahan panas ini telah tersedia untuk digunakan. Tidak demikian halnya dengan kondisi superkritis, proses perpindahan panas pada kondisi superkritis sangat komplek dan rumit dikarenakan tajamnya perubahan sifat-sifat termodinamika dan fisik fluida pada kondisi ini. Oleh karena itu penelitian ini menginvestigasi karakteristik perpindahan panas konveksi paksa dari fluida superkritis yakni propana pada tekanan di atas tekanan kritisnya atau pada tekanan superkritisnya. Dengan tersedianya karakteristik perpindahan panas yang tepat untuk suatu fluida organik tertentu pada kondisi yang spesifik maka dapat dihasilkan pemindah panas yang efisien sehingga dapat meningkatkan prestasi/kinerja dan nilai ekonomi dari sistem pembangkit siklus Rankine organik superkritis. Dalam penelitian ini juga dilakukan perumusan korelasi bilangan Nusselt baru yang mampu secara akurat memprediksi nilai koefisien perpindahan panas konveksi paksa. Penelitian ini dilakukan secara teoretis dan numerik. Secara teoretis dilakukan perhitungan dan analisa termodinamika untuk menentukan prestasi SRO superkritis dari 10 fluida organik dengan memvariasikan tekanan fluida, fluks massa dan fluks panasnya. Kajian literatur dan teoretis juga dilakukan untuk menentukan korelasi-korelasi bilangan Nusselt yang telah dipublikasi dan dapat digunakan untuk menghitung nilai koefisien perpindahan panas (heat transfer coefficient/HTC) konveksi paksa dari fluida organik pada tekanan superkritis. Secara numerik nilai HTC dan karateristik perpindahan panasnya diperoleh melalui simulasi CFD dengan model turbulensi k - ????. Proses perpindahan panas dari oli termal yang mengalir dalam annulus HE tipe pipa ganda aliran berlawanan arah ke aliran propana dalam pipa berdiameter 8 mm dimodelkan dengan model 2D menggunakan sumbu simetris. Hasil perhitungan HTC dari simulasi CFD ini digunakan sebagai data untuk merumuskan korelasi bilangan Nusselt baru menggunakan metoda curve fitting. Selanjutnya nilai HTC yang dihitung dari korelasi bilangan Nusselt baru di validasi menggunakan data HTC dari simulasi CFD yang telah divalidasi dengan data eksperimental yang berupa grafik dan juga divalidasi dari hasil hitungan menggunakan korelasi lain yang telah dipublikasi. Hasil yang didapat dari studi teoretis adalah bahwa untuk sumber energi rendah kalori, R-290 menghasilkan kerja bersih isentropis yang lebih baik dari R- 1270, R-134a, dan R-227ea baik untuk tekanan subkritis, tekanan kritis, maupun tekanan superkritis, namun efisiensinya masih di bawah R-134a. Korelasi bilangan Nusselt baru yang mampu untuk memprediksi nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada tekanan superkritis telah didapatkan dalam penelitian ini, korelasi ini memiliki nilai kesalahan standar estimasi dan koefisien korelasi sebesar Sy/x = 0,0333 dan R = 0,9875 dan telah divalidasi menggunakan persamaan korelasi yang telah dipublikasikan dan data-data hasil simulasi CFD. Peningkatan tekanan superkritis akan mereduksi kenaikan dan penurunan koefisien perpindahan panas konveksi paksa di sekitar temperatur pseudo-critical propana sedangkan peningkatan fluks massa akan meningkatkan HTC. Peningkatan fluks massa juga mengurangi temperatur propana keluar supercritical heat exchanger (SHE). Perbandingan fluks massa propana dengan fluks massa oli termal (sebagai sumber panas/energi) dengan temperatur maksimum 150oC terbaik adalah sebesar 1:5. Perbandingan nilai HTC dari korelasi bilangan Nusselt baru dengan HTC R-134a dan propana pada berbagai variasi tekanan superkritis dan fluks massa memiliki penyimpangan antara -30% sampai 20%.