Slide 1

RANKINE CYCLEOLEHEKO SAPUTRA 1107120439PendahuluanSiklus Rankine adalahsiklus termodinamikayang mengubahpanasmenjadikerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakanairsebagai fluida yang bergerak. Siklusinimenghasilkan 80% dari seluruhenergilistrikyang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwanSkotlandia,William John Maqcuorn Rankine.Siklus Rankine adalah model operasimesin uappanas yang secara umum ditemukan dipembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalahbatu bara,gas alam,minyak bumi,nuklir, danpanas matahari.Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagaisiklus Carnot, terutama dalam menghitungefisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukangas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpatekananyang mengarah pada keadaansuper kritis, rangetemperaturakan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 oC (batasketahananstainless steel) dankondenserbertemperatur sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi padapembangkit listrik tenaga batu barasebesar 42%.Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namunairdipilih karena berbagai karakteristikfisikadankimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.Rankine CycleSiklus Rankine merupakan siklus tenaga uap paling sederhana yang merupakan modifikasi dari siklus Carnot, di mana proses pemanasan dan pendinginan pada siklus ini terjadi pada tekanan yang tetap. Siklus Rankineidealdigambarkan sebagai berikut (Li dan Triddy, 1985) :

Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk siklus tenaga uap. Seperti halnya pada siklus Brayton, pada siklus Rankine juga terdapat proses kompresi isentropik, penambahan panas isobarik, ekspansi isentropik, dan pelepasan panas isobarik. Perbedaan antar keduanya terletakpada fluida kerja yang digunakan. Siklus Rankine fluida kerjanya adalah dua fase fluida, yaitu cair(liquid) dan uap (vapor), sedangkan siklus Brayton merupakan siklus tenaga gas.Pada siklus tenaga uap Rankine, fluida yang umum digunakan adalah air, sedangkan fluida kerja lainnya adalah potassium, sodium, rubidium, ammonia dan senyawa karbon aromatik. Merkuri juga pernah digunakan sebagai fluida kerja siklus Rankine, hanya saja harganya sangat mahal dan berbahaya.

Komponen Siklus RankineSistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu:PumpBoilerTurbineCondenser

Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).Proses 1:Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanantinggidalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.Proses 2:Fluida cair bertekanan tinggi masuk keboilerdi mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.Proses 3:Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikitkondensasijuga terjadi.Proses 4:Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.Dalam siklus Rankineideal, pompa dan turbin adalahisentropic, yang berarti pompa dan turbin tidak menghasilkanentropidan memaksimalkanoutputkerja. Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic. Dengan kata lain, proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkanerosidankorosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi.Proses Siklus RankineEfisiensi termodinamika bisa didapatkan dengan meningkatkan temperatur input dari siklus. Terdapat beberapa cara dalam meningkatkan efisiensi siklus Rankine.Siklus Rankine dengan pemanasan ulang. Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua, yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin.Siklus Rankine regeneratif konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yang membedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperatur. Hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.

Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur kemudian didalamboiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap yang sudah dipanaskan di boilerkemudian masuk turbin. Fulida kerja mengalami ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. Selama proses ekspansi pada turbin terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan putaran poros turbin. Uap yang keluar dari turbin kemudian dikondensasi pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun. Kemudian siklus berulang lagi.

Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri dari 4 tahapan proses : 1 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa. 2 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan. 3 4 Ekspansi isentropik ke dalam turbin. 4 1 Pelepasan panas di dalam kondenser pada P = konstan.

Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikitpengurangan dari volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1 2 pada T s diagram ini biasanya dilebihkan untuk lebih amannya proses. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi padakondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boilerke air pada T tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator.Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untukdiekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar turbine yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P dan T dari steam akan turun selamaproses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini. Ingatbahwa data dibawah kurva proses pada diagram T s menunjukkan transfer panas untuk prosesreversibel internal. Area dibawah kurva proses 2 3 menunjukkan panas yang ditransfer keboiler, dan area dibawah kurva proses 4 1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondenser.Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.Siklus Rankine Ideal Dan AktualJika fluida kerja melewati bermacam-macam komponen dari siklus daya uap sederhana tanpa irreversibilitas, gesekan pressure drop dari boiler dan kondensor dan fluida kerja akan mengalirmelalui komponen pada tekanan konstan, juga tidak ada reversibilitas dan heat transfer dengan lingkungan, proses melalui turbin dan pompa akan isentropis, sehingga suatu siklus menjadi ideal (siklus Rankine ideal).Pada kenyataannya terdapat penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena: Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan condenser sehingga tekanan steam saat keluar boiler sangat rendah sehingga kerja yang dihasilkan turbin (Wout)menurun dan efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk.Adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang diperlukan (Qin) dalam prosesbertambah sehingga efisiensi termalnya berkurang.

Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap. Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuhpada banyak perlatan seperti boiler, kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyakperalatan. Tekanan jatuh yang besar pada boiler mengakibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dariboiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal. Kerugian energipanas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses ekspansi uap air pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengakibatkan kerugian yang tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.

Diagram T-s Siklus Rankine Ideal Dan AktualPenyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja(Wout) yang lebih rendah seperti pada grafik berikut ini:

Diagram T-s Pada Siklus Rankine AktualEfisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung dengan:

Dimana: 2a & 4a menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin dan pompa.2a & 4s menyatakan keadaan isentropik.