PENGARUH PENURUNAN KARAKTERISTIK SUMBER PANAS …

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80 P-ISSN 1978 - 2365

E-ISSN 2528 - 1917

69 Diterima : 28 September 2016, direvisi : 28 Oktober 2016, disetujui terbit : 20 Februari 2017

PENGARUH PENURUNAN KARAKTERISTIK SUMBER PANAS

TERHADAP KINERJA HEAT EXCHANGER DI PLTP BINER DIENG

THE EFFECT OF DECREASED HEAT SOURCE PROPERTIES ON HEAT

EXCHANGER PERFORMANCE AT DIENG BINARY POWER PLANT

Guntur Tri Setiadanu, Yohanes Gunawan, Didi Sukaryadi.

Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konversi Energi,

Jl. Ciledug Raya kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta, Indonesia

[email protected]

Abstrak

Fenomena penurunan nilai karakteristik temperatur dan tekanan telah terjadi pada sumber panas PLTP

biner Dieng. Pada studi ini dilakukan perhitungan model matematis dan termodinamika menggunakan

software Engineering Equation Solver (EES) dan NIST Refprop untuk memprediksi pengaruh

penurunan karakteristik sumber panas terhadap kemampuan heat exchanger dan efisiensi total dari

sistem biner ORC. Hasil dari perhitungan akan dibandingkan dengan data aktual yang diperoleh dari

pengujian sistem PLTP biner. Simulasi menunjukkan bahwa penurunan sumber panas mengakibatkan

turunnya semua nilai parameter tekanan, temperatur dan laju alir dari n-pentane yang pada akhirnya

akan menurunkan nilai kerja mekanik turbin dan listrik yang dihasilkan dibandingkan dengan desain

awal. Laju n-pentane optimal dari simulasi desain adalah 0,9 kg/s, dengan tekanan kerja 6 bar, dan

kalor perpindahan panas yang diterima n-pentane dari sumber adalah 419,51 kW dengan potensi untuk

menggerakkan turbin sebesar 28,15 kW. Hasil pengujian aktual pada PLTP biner Dieng didapatkan

bahwa nilai optimal laju n-pentane adalah 0,5 kg/s, kalor perpindahan panas sebesar 255,39 kW,

tekanan kerja 6 bar dan potensi untuk menggerakkan turbin sebesar 12,31 kW. Perbedaan nilai kerja

turbin antara hasil simulasi dengan percobaan aktual disebabkan oleh nilai input brine optimal saat

percobaan di lapangan tidak bisa mencapai nilai optimal saat disimulasikan, akibat adanya pressure

drop dan heat loss pada pipa heat exchanger sehingga laju n-pentane yang teruapkan juga turun.

Kata kunci: heat exchanger, limbah geothermal, binary, ORC, pressure drop

Abstract

A decreased in temperature and pressure properties of heat source waste brine has occurred at Dieng

binary geothermal power plant. This study performed mathematical models and thermodynamic calculations using EES and NIST Refprop software to predict the effect of decreased heat source brine

to the heat exchanger capability and the total efficiency of the ORC binary system. Simulation’s results

will be compared with actual data obtained from experiment at Dieng binary geothermal power plant. The results showed that a decrease in the heat source resulting values declining in all parameters, i.e.

pressure, temperature and flow rate of n-pentane, moreover it will reduced the turbine mechanical

work and electricity produced while compared with the initial design. Optimal mass rate of n-pentane from the simulation is 0,9 kg / s, with a working pressure of 6 bar, and heat transfer value received

from source brine to n-pentane is 419,51 kW, predicted work turbine is 28,15 kW. Actual experiment on Dieng binary geothermal power plant show the optimal value of n-pentane mass rate is 0,5 kg / s,

heat the heat transfer amounted to 255,39 kW, 6 bar working pressure and turbine work that can be

produced is 12.31 kW. Those differences were due to the pressure drop and heat loss in the heat exchanger.

Keywords: heat exchanger, binary, ORC, geothermal waste brine, pressure drop


Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80

70

PENDAHULUAN

Potensi panas bumi di wilayah kerja

pertambangan (WKP) dataran tinggi dieng

cukup tinggi. Berdasarkan profil potensi panas

bumi Indonesia yang dikeluarkan oleh

Kementerian Energi dan Sumber Daya

Mineral tahun 2012, disebutkan bahwa

potensinya mencapai 897 MW[1]. Pambudi

dkk (2014), menyebutkan potensi exergy yang

bisa diekstraksi dari sumur yang ada mencapai

59,52 MW dengan jumlah waste brine

mencapai 17,98 % atau setara dengan 10,7

MW[2]. Kementerian ESDM melalui

Puslitbang TKEBTKE mencoba untuk

memanfaatkan potensi waste brine ini menjadi

listrik dengan menggunakan sistem biner

Organic Rankine Cycle (ORC) pada pilot

plant PLTP biner Dieng.

Pada sistem ORC, heat exchanger

merupakan peralatan utama dimana kalor dari

sumber panas diserap dan diteruskan ke fluida

kerja. Kemampuan efektivitas heat exchanger

adalah panas yang diterima oleh laju alir

massa untuk menjadi fasa uap pada tekanan

dan temperatur tertentu dibandingkan dengan

panas yang tersedia dari sumber[3].

Penurunan dari temperatur sumber

panas akan mempengaruhi profil temperatur

dari evaporator, jika terjadi penurunan sumber

panas tanpa ada perubahan profil evaporator

maka akan mempengaruhi laju dan tekanan

uap fluida kerja yang dihasilkan [4]. Penelitian

mengenai heat exchanger ORC dan metode

perhitungan koefisien perpindahan panas

dalam hubungannya dengan perubahan fasa

pada fluida kerja pada tekanan subcritical

sudah banyak dilakukan[4,7]. Berdasarkan

pinch analisis didapatkan bahwa, subcritical

ORC bekerja lebih baik pada temperatur

keluar sumber panas yang tinggi, sedangkan

untuk temperatur sumber panas yang rendah

lebih baik digunakan supercritical ORC.

Nguyen dkk (2001), mengembangkan dan

menguji ORC skala kecil dengan fluida kerja

n-pentane dengan memanfaatkan panas yang

didapatkan dari boiler gas. Sistem tersebut

mampu menghasilkan 1,5 kW listrik dengan

efisiensi thermal 4,3%[8].

Pada unit PLTP biner Dieng terjadi

fenomena penurunan properties aliran sumber

panas yang digunakan sebagai fluida pemanas.

Studi ini bertujuan untuk melakukan

perhitungan model matematis dan

termodinamika menggunakan Engineering

Equation Solver (EES) dan NIST Reference

Fluid Thermodynamic and Transport

Properties Database (REFROP) untuk

memprediksi pengaruh penurunan aliran

sumber panas terhadap kemampuan heat

exchanger dan efisiensi total dari sistem biner

ORC. Hasil dari perhitungan akan

dibandingkan dengan data aktual yang

diperoleh dari pengujian sistem PLTP biner.

Tabel 1. Parameter desain PLTP biner Dieng

* pada pengujian ini fluida kerja di bypass ke pressure

Parameter Desain PLTP Biner Dieng

Generator rated power 50

(Kwe) 100

Rated thermal power input (KWt) Basic subcritical ORC Konfigurasi ORC n-Pentane

Fluida kerja Axial

Turbin* Setting to 1 bar Pressure Reducer Shell-Tube

Heat exchanger** 170-154

Temperatur kerja (C)

71

Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng

reducer yang di set ke 1 bar sebelum masuk ke

kondenser

** lihat Tabel 2 untuk spesifikasi heat exchanger

Fasilitas Eksperimen dan Studi Kasus

PLTP biner Dieng adalah laboratorium

ORC insitu milik Puslitbang TKEBTKE yang

terletak di sumur 29, PT.Geodipa Energi

(GDE). Kapasitas desain PLTP biner Dieng

adalah 50 kW dengan fluida kerja n-pentane.

Desain parameternya disajikan pada Tabel 1.

Studi Kasus

PLTP biner Dieng didesain

menggunakan brine langsung dari separator

pemisahan uap geothermal. Akibat adanya

permasalahan pengendapan silika pada pipa

separator, maka tekanan separator harus dijaga

diatas 10 bar, oleh karena itu itu PT.GDE

memasang pressure regulator pada pipa setelah

separator, akibatnya tekanan dan temperatur

brine yang masuk kedalam sistem PLTP biner

menjadi turun. Skema kasus bisa dilihat pada

Gambar 1.

METODOLOGI

Deskripsi Sistem dan Model

Termodinamika

Prosedur yang dilakukan pada

percobaan ini diilustrasikan pada Gambar 3.

Fokus dari studi ini adalah untuk menentukan

berapa uap n-pentane yang dihasilkan setelah

mengalami penurunan parameter sumber

panas, baik secara simulasi maupun secara

aktual. Untuk itu detail dari sistem heat

exchanger dihitung dan disimulasikan

menggunakan software simulasi heat

exchanger untuk mendapatkan efektifitas HE

yang paling optimal. Hasil perhitungan akan

digunakan dalam model termodinamika untuk

perhitungan efisiensi siklus menggunakan

software EES dan NIST Refprop.

Sistem Heat exchanger

Bila dilakukan plot penurunan input brine

yang terjadi ke dalam diagram

temperatur-entropi (T-s) pada Gambar 2,

didapatkan bahwa garis sumber panas harus

berada di atas siklus Rankine yang terbentuk.

a) parameter desain input brine b) setelah pemasangan pressure regulator

Gambar 1.Studi kasus pada PLTP biner Dieng


Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80

72

Gambar 2. Penurunan sumber tekanan dengan entropi fluida kerja

Gambar 3. Flowchart prosedur pengujian

Metode Log Mean Temperatur Different

(LMTD) digunakan sebagai metode

perhitungan di dalam desain heat exchanger.

Persamaan LMTD dituliskan sebagai berikut :

(1)

dimana ΔTA adalah perbedaan suhu antara dua

aliran di akhir A, dan ΔTB adalah perbedaan

suhu antara dua aliran pada akhir B. Kalor

perpindahan panas yang terjadi dihitung

dengan persamaan :

q = U x A x LTMD (2)

dimana q= kalor yang dipertukarkan (W ),U

adalah koefisien perpindahan panas (W/K.m2)

dan A adalah luas pertukaran.

Bersamaan dengan peningkatan entropi

maka kenaikan temperatur diekspresikan

dalam persamaan:

(3)

Tipe HE adalah shell-tube counterflow,

sehingga koefisien perpindahan panas total, U,

didefinisikan dalam persamaan:

Mulai

Modeling sistem HE

Pengambilan data paramater aktual berdasarkan kasus

Perhitungan nilai koef.H. Transfer (U), kalor transfer HE (Q) dan massa alir fluida kerja

Input parameter

desain awal

Spesifikasi HE Luas permukaan (A) Koef. Heat transfer (U) Efektifitas HE

Model Termodinamika Sistem

Optimasi

Efektifitas HE

Perhitungan parameter output

Bandingkan output

model vs aktual

Analisis dan

Kesimpulan

Selesai

73


(4)

Nusselt number (Nu) untuk fasa tunggal fluida

subcritical dihitung menggunakan persamaan

Dittus-Boelter[9]

(5)

dimana n = 0,4 untuk proses pemanasan dan

0,3 untuk proses pendinginan (konstanta n

yang dipilih, untuk pemanasan seperti

evaporator digunakan 0.4, untuk pendinginan

seperti kondenser digunakan 0,3, pada kasus

ini yang dipakai 0,4). Kedua permukaan

koefisien perpindahan panas dari tube dan

shell pada counterflow pass HE diekspresikan

dengan persamaan :

(6)

dimana d adalah ekuivalen diameter dalam

atau luar tube.

Pada desain heat exchanger PLTP Biner

Dieng, semua perhitungan dilakukan dengan

bantuan software desain heat exchanger[10],

dan didapatkan parameter spesifikasi pada

Tabel 2.

Untuk memprediksi output dari suatu

heat exchanger maka Kays dan London

(1955), memperkenalkan metode NTU.

Metode ini menggunakan parameter tak

berdimensi yang disebut perpindahan panas

efektif (ε), yang di tuliskan sebagai berikut :

(7)

dimana q adalah kalor perpindahan panas (W)

dan qmax adalah kalor maksimum dari sumber.

Tabel 2.Spesifikasi heat exchanger PLTP

biner Dieng

Asumsi perhitungan simulasi dan

analisis energi balance yang digunakan pada

paper ini adalah sebagai berikut :

1. Heat exchanger terisolasi sempurna dari

lingkungan, yang terjadi hanya

Spesifikasi Preheater

Parameter Nilai Satuan

Kapasitas transfer panas 414 kW

Actual U 504 W/m2-K

Area 39,134 m2

TEMA type BEM

Shell ID 430 mm

Tube OD 15,875 mm

Jumlah Tube 222 tubes

Pressure

- Shell 15,4 Bar

- Tube 7 Bar

Pass 1 Shell, 4 Tube passes

Spesifikasi Evaporator

Parameter Nilai Satuan

Kapasitas transfer panas 397 kW

Actual U 870 W/m2-K

Area 30,469 m2

TEMA type BEM

Shell ID 430 mm

Tube OD 15,875 mm

Jumlah Tube 226 tubes

Pressure

- Shell 15,4 Bar

- Tube 7 Bar

Pass 1 Shell, 4 Tube passes


Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80

74

perpindahan panas antara fluida panas

dan dingin.

2. Konduksi aksial sepanjang tabung HE

diabaikan

3. Perubahan energi kinetik dan potensial

diabaikan

Model termodinamika dan performa siklus

1. Turbin

Diasumsikan proses ekspansi

non-isentropis terjadi, enthalpi fluida kerja di

titik keluar turbin serta kerja dari turbin ditulis

dengan persamaan :

(8)

(9)

dimana h2ft adalah enthalpi fluida kerja pada

titik keluar turbin dengan kondisi ideal, ηis

adalah efisiensi isentropik yaitu ratio kekuatan

pengereman dengan kebutuhan tenaga

isentropik. Kehilangan tenaga yang lain dari

exergy loss ke lingkungan, yang pada

pengujian ini temperatur lingkungan tercatat

22 oC, sehingga pada perhitungan ini total

efisiensi dari turbin dipakai pada angka 60%.

2. Kondenser

Total perpindahan panas yang terjadi

digunakan persamaan :

Qcon = m(h2f – h3f) (10)

diasumsikan tidak ada panas yang terbuang

ke lingkungan.

3. Pompa

Fuida kerja dikompresikan sampai ke

puncak tekanan dalam proses ini dari kerja

pompa. Untuk menghitung kebutuhan power

dari pompa digunakan persamaan :

Wp = m(h4f – h3f)/η (11)

dimana ηp adalah efisiensi dari pompa, karena

digunakan inverter maka perhitungan efisiensi

pompa diabaikan.

4. Preheater

Total perpindahan panas dari sumber

panas ke preheater dihitung menggunakan

persamaan :

Qph = m. Cp. (T3 – T1) (12)

yang setara dengan

Qph = m(h1 – h3) (13)

diasumsikan tidak ada panas yang terbuang

ke lingkungan dan proses perpindahan panas

terjadi pada tekanan konstan.

5. Evaporator

Total perpindahan panas dari sumber

panas ke preheater dihitung menggunakan

persamaan :

Qev = m(h2 – h4) (14)

sehingga Q heat exchanger total yang diterima

oleh fluida kerja dari sumber panas :

Qhe = Qph + Qev (15)

diasumsikan tidak ada panas yang terbuang ke

lingkungan dan proses perpindahan panas

terjadi pada tekanan konstan.

Efisiensi siklus

Efisiensi termal dan kerja total yang

dihasilkan dari sistem dihitung menggunakan

persamaan :

ηthe = (Wtur – Wp)/Qhe (16)

Wnet = Wtur - Wp (17)

75


HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan nilai yang didapatkan dari

spesifikasi desain peralatan HE (Preheater dan

evaporator) pada Tabel 3, maka dilakukan

simulasi dan perhitungan dari penurunan

parameter sumber panas yang ada untuk

mendapatkan berapa nilai laju alir n-pentane

yang optimal.

Tabel 3a. Parameter pada Preheater Tabel 3b. Parameter pada Evaporator

Gambar 4. Optimalisasi laju alir n-pentanepada evaporator

massa brine (kg/s) 2,48

T brine in (C) 116

T brine out (C) 101,6

P brine in (bar) 2,51

massa n-pentane (kg/s) 0,9

T n-pentane in (.C) 30,75

T n-pentane out (.C) 100

P n-pentane (bar) 6

EMTD (.C) 29,7

Duty (KW) 157,54

U act (KW) 325,95

U req (KW) 134,19

Over Desain (%) 142,9

massa brine (kg/s) 11,1

T brine in (C) 116

T brine out (C) 110,9

P brine in (bar) 2,51

massa n-pentane (kg/s) 0,9

T n-pentane in (.C) 100

T n-pentane out (.C) 103

P n-pentane (bar) 6

EMTD (.C) 13,8

Duty (KW) 272,39

U act (KW) 964,9

U req (KW) 647

Over Desain (%) 49,14


Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80

76

Diketahui dari uji coba pembukaan

valve brine menuju preheater (CV1), bukaan

terkecil yang bisa dilakukan adalah pada nilai

laju alir 2,48 kg/s. Jika dihitung performa dari

preheater maka didapatkan nilai parameter

seperti pada Tabel 3a, terlihat bahwa nilai over

desain yang ada mencapai 142%, artinya

preheater sangat mampu untuk melakukan

kerja pemanasan n-pentane sampai ke suhu

sebelum saturasinya.

Dari hasil simulasi pada evaporator,

Gambar 4, didapatkan bahwa nilai parameter

massa paling optimal yang bisa dipanaskan

oleh sumber panas adalah 0,9 kg/s. Terlihat

bahwa pada nilai optimal didapatkan dari nilai

over desain tertinggi, atau nilai yang paling

optimis bahwa pemanasan tersebut bisa

tercapai untuk mendapatkan nilai uap

n-pentane yang sesuai dengan spesifikasi dari

turbin, nilai P dan T superheat tertinggi. Pada

nilai optimal maka nilai Q yang didapatkan

adalah 272,39 kW.

Berdasarkan nilai di atas, selanjutnya

dilakukan perhitungan heat-mass balance pada

laju alir brine optimal untuk mendapatkan

berapa output dari siklus menggunakan

software EES (Gambar 5). Nilai parameter

evaporator disajikan pada Tabel 3b. Nilai

output yang bisa dihasilkan setelah terjadi

penurunan sumber panas adalah Wtur = 28,15

kW, jika diasumsikan efisiensi generator 97%

maka output listrik yang bisa dihasilkan adalah

27,31 kW.

Untuk memverifikasi hasil dari

perhitungan simulasi, dilakukan pengukuran

pada pilot plant PLTP biner Dieng.

Pengukuran dilakukan pada titik-titik

perpindahan dalam setiap komponen, terutama

pada heat exchanger.

Gambar 5. Simulasi heat-mass balance pada laju alir n-pentane 0,9 kg/s dengan

parameter input brine mengalami penurunan

77


Tabel 4. Hasil pengukuran aktual dan simulasi desain pada pilot plant PLTP Biner Dieng

Pembacaan dan penyimpanan sinyal

dari thermocouple dan pressure transmitter

menggunakan Graphtec GL7000 data

recorder. Hasil pengujian disajikan pada

Tabel 4.

Terlihat bahwa nilai parameter yang

didapatkan berbeda dari hasil simulasi diatas

(angka merah tebal). Pada nilai pembagian

laju alir input brine antara preheater dan

evaporator, didapatkan pada simulasi dengan

laju alir input preheater 2,48 kg/s sudah

didapatkan nilai output temperatur n-pentane

100oC atau mendekati titik saturasi. Se-

dangkan pada aktual didapatkan bahwa

dengan laju input brine 6,1 kg/s hanya mampu

memanasi n-pentane sampai suhu 87C. Jika

laju input preheater dinaikkan terus maka akan

mengurangi laju brine ke evaporator.

Konfigurasi pembukaan valve brine preheat

(CV1) : valve brine evaporator (CV2) diatas

yaitu 6,1 : 7,2 adalah nilai optimal dari

pengujian.

Perbedaan parameter kedua adalah pada

nilai laju alir n-pentane, pengukuran pada

aktual operasi, laju alir n-pentane tercatat 0,5

kg/s, sedangkan pada simulasi 0,9 kg/s. Jika

dilihat dari kalor yang diterima oleh n-pentane

maka didapatkan bahwa hasil dari aktual lebih

kecil dari nilai simulasi, sebagaimana

ditampilkan pada Tabel 5. Perhitungan kalor

n-pentane pada fasa liquid menggunakan

persamaan (12), untuk fasa saturasi dan

superheat menggunakan persamaan (13),

sedangkan nilai Q total yang diterima oleh

n-pentane menggunakan persamaan (14). Nilai

Cp n-pentane dan enthalpi pada suatu titik

ditentukan dari software NIST Refprop.


Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80

78

Tabel 5. Perbandingan nilai kalor

perpindahan panas pada simulasi desain dan

aktual operasi

Faktor utama yang mempengaruhi

perbedaan nilai aktual dan simulasi tersebut

adalah aliran brine yang berupa dua fasa

berbeda. Pada output brine preheater tekanan

terukur 1 bar (0 barg) dan temperatur adalah

104 oC, jika dimasukkan dalam tabel proper-

ties untuk air, maka didapatkan bahwa fasanya

adalah dua fasa, yaitu fasa uap dan air.

Penurunan nilai tekanan output brine ini

menunjukkan bahwa di dalam preheater terjadi

penurunan tekanan (pressure drop) yang sig-

nifikan, sehingga kalor yang bisa diserap jauh

lebih sedikit. Pada Incropera dkk (2007), dise-

butkan, bahwa koefisien perpindahan panas

pada aliran 2 fasa lebih kecil dibandingkan

dengan aliran cair penuh pada laju alir yang

sama dan temperatur yang sama. Berdasarkan

hasil analisis di lapangan, beberapa faktor

yang diduga mempengaruhi hal tersebut ada-

lah telah terjadi penebalan akibat silica scaling

pada tube preheater, hal ini disebabkan oleh

tekanan kerja dari sistem PLTP Biner Dieng

jauh dibawah nilai tekanan kerja aman 15 bar

pada grafik Silica Saturation Index dari fluida

panas bumi dieng, tersaji pada Gambar 6.

Gambar 6. Silica Saturation Index (SSI) fluida

geothermal Dieng[11].

Scalling mengakibatkan nilai fouling

factor HE menjadi besar. Walaupun belum

dilakukan pengamatan secara langsung

terhadap pipa-pipa di dalam HE, akan tetapi

jika dilihat dari pipa outlet brine menuju

atmospheric flash tank (AFT) (Gambar 7),

terlihat jelas adanya proses silica scaling yang

melekat di dinding pipa dengan tebal sekitar

1,5 cm.

Aktual

Simulasi desain

m Pentane (kg/s) 0.5 0.9

tekanan (bar) 6 6 mph Brine (kg/s) Qph (kW)

6.1 69.62

2.48 147.08

dT (.C) 28 --> 87 30,7 --> 100 mev Brine (kg/s) Qev (liq) (kW)

7.2 17.98

11.12 -

dT (.C) 87 --> 100.5 -

Qev (sat+sh) (kW) 167.79 272.43

dT (.C) 100.5 --> 102 100 --> 103

Qhe (kW) 255.39 419.51

79


Gambar 7. Silica Scaling yang terjadi di pipa

outlet menuju AFT

Faktor lain penyebab terjadi perbedaan

kalor yang diterima n-pentane dari hasil

simulasi dan aktual adalah adanya heat loss

pada saluran pipa brine sebelum dan sesudah

masuk sistem perpindahan kalor. Hal ini

disebabkan karena insulation yang tidak

maksimal, pengaruh suhu ambient/lingkungan

serta kecepatan angin di sekitar saluran pipa.

Hasil pengamatan di lapangan menunjukkan

bahkan di saluran pipa outlet brine dari

preheater dan evaporator sama sekali tidak

diisolasi dan suhu ambien rata-rata 20 °C.

Wen-Lon Cheng dkk (2014) meneliti pengaruh

ketebalan insulasi pada pipa geothermal, dan

menyimpulkan bahwa semakin tebal insulator

akan semakin mengurangi heat loss yang

terjadi di saluran pipa[12]. Suhu ambien juga

berpengaruh terhadap heat loss , bila suhu

lingkungan semakin rendah maka heat loss

semakin tinggi[3]. Sedangkan semakin tinggi

kecepatan aliran udara disekitar saluran pipa,

heat loss dalam pipa juga semakin tinggi[13].

Fenomena heat loss pada pipa brine terekam

dalam data percobaan dimana suhu lingkungan

rata-rata tercatat sebesar 20 oC, sedangkan

suhu permukaan insulasi pipa tercatat 38 oC.

Hal ini menunjukkan adanya panas yang ter-

buang ke lingkungan.

Jika nilai aktual dari pengujian

dimasukkan ke dalam siklus termodinamika

dan dibandingkan dengan hasil dari simulasi,

maka didapatkan bahwa terjadi pergeseran

titik-titik termodinamika seperti terlihat

Gambar 8. Terlihat bahwa titik 6, awal kerja

evaporator bergeser kebawah ke temperatur

87 oC (titik 6), hal ini mengakibatkan

penurunan kinerja heat exchanger

sebagaimana sudah ditunjukkan diatas.

Gambar 8. Siklus termodinamika PLTP biner

Dieng pada kondisi penurunansumber panas,

Simulasi Desain vs aktual operasi

Pengaruh penurunan kalor yang

diterima n-pentane berdasarkan hasil simulasi

dan data aktual, (Tabel 3 dan Tabel 4), maka

prediksi kerja turbin yang dihasilkan, sesuai

persamaan (8) dan (9), disajikan pada Tabel 6.


Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 69 - 80

80

Tabel 6. Kerja turbin yang bisa dibang-

kitkan

Perbedaan kapasitas turbin pada

Tabel 6, terutama disebabkan nilai laju alir n-

pentane yang didapatkan antara simulasi dan

aktual jauh berbeda. Penurunan laju alir pada

kondisi aktual disebabkan oleh kurangnya ke-

mampuan peralatan heat exchanger dalam

melakukan perpindahan panas dari sumber ke

fluida n-pentane, hal ini dikonfirmasi dengan

analisis heat exchanger di atas. Kalor yang

diserap turbin di simulasi (Qsim ) sebesar

419.51 kW, sedangkan pada aktual (Qak) hanya

sebesar 255.39 kW. Akibatnya terjadi

penurunan nilai enthalpi uap n-pentane masuk

turbin yang tergantung dari sumber panas yang

ada dan kinerja sistem heat exchanger.

KESIMPULAN

Pembangkitan listrik dari sumber panas

enthalpy rendah sangat tergantung dari

ketersediaan sumber panas. Kasus yang terjadi

adalah terjadi penurunan nilai properties

tekanan dan temperatur sumber panas air sisa

pemisahan uap pada separator. Hasil optimasi

simulasi didapatkan fakta bahwa peralatan

heat exchanger yang ada mengalami over de-

sain yaitu 142% pada preheat dan 49% pada

evaporator. Nilai laju alir n-pentane optimal

adalah 0,9 kg/s dengan tekanan kerja 6 bar.

Nilai kalor yang bisa diserap oleh n-pentane

pada heat exchanger adalah 419,51 kW dan

kerja turbin yang bisa dihasilkan adalah 28,15

kW. Pada pengujian aktual kinerja heat ex-

changer PLTP biner Dieng, didapatkan bahwa

nilai optimal laju n-pentane adalah 0,5 kg/s,

kalor perpindahan panas sebesar 255,39 kW,

tekanan kerja 6 bar dan kerja turbin yang bisa

dihasilkan adalah 12,31 kW. Rendahnya nilai

parameter pada pengujian aktual disebabkan

oleh dua hal yaitu 1) heat exchanger bekerja

diluar tekanan aman dari silica saturation in-

dex, sehingga diprediksi sudah terjadi pengen-

dapan silica pada tube-tube heat exchanger,

selanjutnya akan mengakibatkan pressure drop

dan nilai fouling faktor besar dengan semakin

tebalnya tube 2) terjadi heat loss akibat isolasi

yang tidak maksimal pada pipa-pipa inlet dan

outlet heat exchanger.

UCAPAN TERIMA KASIH

Dalam penulisan paper ini penulis

menyampaikan terima kasih pada Dr. Yogi

Sirodz Gaoz dan Edy Agus Mulyono, ST. atas

data desain Heat exchanger PLTP-Biner

Dieng.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Direktorat Jendral Energi Baru

Terbarukan dan Konservasi Energi

(2012) Profil Potensi Panas Bumi.

Kementerian Energi dan Sumber Daya

Mineral: Jakarta.

Simulasi Desain Aktual Operasi

Q.Heat Exchang 419.51 kW 255.39 kW

m. n-pentane 0.9 kg/s 0.5 kg/s

h1 (in turbin) 489.5 kJ/kg 487.3 kJ/kg

h2 (out turbin) 458.2 kJ/kg 462.7 kJ/kg

P turbin 28.15 kW 12.31 kW

Asumsi efisiensi turbin = 0.6

81


[2] Pambudi NA, Itoi R, Jalilinasrabady S,

and Jaelani K (2014), Exergy analysis

and optimization of Dieng single-flash

geothermal power plant. Energy

Conversion and Management, 78: p. 405

-411.

[3] Incropera FP, Dewitt DP, Bergman TL,

and Lavine AS, Fundamentals of Heat

and Mass Transfer. 6th ed. 2007, United

States of America: John Wiley & Sons,

Inc.

[4] Guo C, Du X, Yang L, and Yang Y

(2014), Performance analysis of organic

Rankine cycle based on location of heat

transfer pinch point in evaporator.

Applied Thermal Engineering, 62(1): p.

176-186.

[5] Hsieh JC, Lee YR, Guo TR, Liu LW,

Cheng PY, and Wang CC (2014), A Co-

axial Multi-tube Heat Exchanger

Applicable for a Geothermal ORC

Power Plant. Energy Procedia, 61: p.

874-877.

[6] Li W, Feng X, Yu LJ, and Xu J (2011),

Effects of evaporating temperature and

internal heat exchanger on organic

Rankine cycle. Applied Thermal

Engineering, 31(17-18): p. 4014-4023.

[7] Ryms M, Pyś T, and Klugmann-

Radziemska E (2014), Adapting the

pinch point analysis to improve the ORC

design process. International Journal of

Energy Research, 38(1): p. 29-40.

[8] Nguyen VM, Doherty PS, and Riffat SB

(2001), Development of a prototype low-

temperature Rankine cycle electricity

generation system. Applied Thermal

Engineering, 21(2): p. 169-181.

[9] Sharabi M, Ambrosini W, He S, and

Jackson JD (2008), Prediction of

turbulent convective heat transfer to a

fluid at supercritical pressure in square

and triangular channels. Annals of

Nuclear Energy, 35(6): p. 993-1005.

[10] Kistler RS, ed. HTRI Design Manual.

2006, Heat Transfer Research, inc.:

Texas, USA.

[11] S.F. DepartmentO (2007) Technical

Report : SSI Indeks of Dieng

Geothermal Fluid,P.G. Energy Jakarta.

[12] Cheng W-L, Li T-T, Nian Y-L, and Xie

K (2014), An Analysis of Insulation of

Abandoned Oil Wells Reused for

Geothermal Power Generation. Energy

Procedia, 61: p. 607-610.

[13] Arisma E, Nugroho S, and Prabowo

(2015), Studi Numerik Pengaruh

Kecepatan Angin terhadap Critical

Radius dan Distribusi Temperatur pada

Pipa Uap. JURNAL TEKNIK ITS 4(1):

p. 2301-9271.

82

HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN

Documents

PENGARUH PENURUNAN KARAKTERISTIK SUMBER PANAS …