Siklus rankine

7

BAB II

PEMBAHASAN

A. Siklus Rankine

1. Pengertian Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas

menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya

menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari

seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk

mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum

ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine

adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot,

terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini

menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine

biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan

super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada

temperatur 565 oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur

sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%,

namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar

42%.

Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan

secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air

dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun,

terdapat dalam jumlah besar, dan murah.

Sistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu:

1. Pompa

2. Boiler

3. Turbin

4. Kondenser

8

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,

menyebabkan erosi dan korosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara

termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada

temperatur yang sangat tinggi.

Efisiensi 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

temperature, hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.

Siklus Rankine Organik

Siklus Rankine Organik menggunakan fluida organik seperti n-pentana

atau toluena menggantikan air dan uap. Penggunaan kedua jenis fluida tersebut

akan mengurangi suplai panas yang dibutuhkan karena rendahnya titik didih dari

kedua jenis fluida tersebut sehingga energi matahari sudah cukup untuk mengubah

9

fase fluida tersebut. Meski efisiensi Carnot akan berkurang, namun pengumpulan

panas yang dilakukan pada temperatur rendah akan mengurangi banyak biaya

operasional.

Siklus Rankine sesungguhnya tidak membatasi fluida jenis apa yang

digunakan karena pada dasarnya siklus Rankine adalah mesin kalor sehingga

efisiensinya dihitung berdasarkan efisiensi Carnot. Konsepnya tidak boleh

dipisahkan dengan siklus termodinamika

2. Proses Siklus Rankine

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 terletak pada 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

Gambar 2.1. Skema Peralatan pada Siklus Rankine

Sumber : http://montaraventures.com

10

Proses 1-2 : Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanan

tinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya

membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan.

Proses 2-3 : Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air

berubah fase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung pada

tekanan konstan.

Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja

berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunan

temperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir

kondensasi titik air mulai terjadi.

Proses 4-1: Uap basah memasuki kondenser dan didinginkan sehingga semua uap

berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2)

Besarnya kerja yang dibutuhkan pompa, panas yang diberikan boiler,

kerja yang dihasilkan turbin dan panas yang dibuang pada Kondenser dapat

diperhitungkan dengan bantuan tabel Enthalpy-entropy air-uap air.

Gambar 2.2. Contoh T-s diagram Siklus Rankine

11

SIKLUS RANKIE IDEAL

Jika fluida kerja mengalir melalui berbagai komponen dari sebuah siklus

tenaga uap sederhana tanpa ireversibilitas, penurunan tekanan secara fraksional

tidak akan terjadi pada boiler dan Kondenser, fluida kerja mengalir melalui

komponen komponen ini pada tekanan konstan. Selain itu dengan tidak adanya

ireversibilitas dan perpindahan kalor dengan lingkungan sekitar, proses yang

terjadi melalui turbin dan pompa adalah isentropic (s=konstan), maka siklus ini

disebut siklus Rankine ideal. Mengacu pada gambar dibawah ini , terlihat fluida

kerja melewati urutan proses yang reversible secara internal sebagai berikut:

Gambar 2.3. Diagram temperatur-entropi untuk siklus Rankine ideal

Sumber : Moran,Michael j, 2004

proses 1-2 : Ekspansi isentropik (s = konstan) dari fluida kerja melalui turbin dan

uap jenuh pada kondisi 1 hingga mencapai tekanan kondenser.

proses 2-3 : Perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan

konstan melalui kondenser dengan cairan jenuh pada kondisi 3.

proses 3-4 : Kompresi isentropic (s=konstan) dalam pompa menuju ke kondisi 4

dalam daerah hasil kompresi.

proses 4-5 : Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada tekanan

konstan melalui boiler untuk menyelesaikan siklus.

12

B. EVALUASI KERJA UTAMA DAN PERPINDAHAN KALOR

Subsistem A di ilustrasikan pada gambar dibawah ini, Setiap komponen

pada subsitem A dianggap berada dalam kondisi tunak. Sedangkan prinsipnya

menggunakan prinsip konservasi massa dan konservasi energi. Pengembangan

pembahasan subsitem dimulai dari kondisi 1 yang akan berlanjut ke komponen

yang lainnya.

Gambar 2.4. Prinsip Kerja dan Perpindahan Kalor Subsistem A

Turbin.

Uap dari boiler pada kondisi 3 berada pada temperatur dan tekanan yang

sudah dinaikkan, berekspansi melalui turbin untuk menghasilkan kerja dan

kemudian dibuang ke Kondenser pada kondisi 4 dengan tekanan yang relatif

rendah. Dengan mengabaikan perpindahan kalor dengan sekelilingnya ,

Kesetimbangan laju energi dan massa untuk volume atur disekitar turbin berada

dalam kondisi tunak.

Kerja turbin dihitung dengan dasar kesetimbangan massa dan energi

untuk aliran steady.

Wturbin E 3 = m 3h3

E 4 = m 4h4 3

4

13

m 3 m 4 m

m 3h3 Wturb m 4 h4

Wturb m (h3 h4 )

Dimana

m : laju aliran massa dari fluida kerja (kg/s)

Wturb : laju kerja yang dihasilkan turbin(J/s)

h : entalpi (J/s)

Kondenser

Dalam kondenser terjadi perpindahan kalor dari uap ke air pendingin

yang mengalir dalam aliran terpisah. Uap terkondensasi dan temperatur air

pendingin meningkat. Jumlah panas yang dilepas kondenser dihitung dengan

dasar kesetimbangan massa dan energi untuk aliran steady

Jumlah panas yang dilepas pada Kondenser (Qout) dapat dihitung sebagai berikut

m 4 = m 1 = m

m 4h4 = Q out + m 1h1

Q out

m = h4−h1

Dimana

m : laju aliran massa dari fluida kerja(kg/s)

Q out : jumlah panas yang dilepas pada Kondenser (J/s)

h : entalpi (J/s)

Qout

E 4 = m 4h4 E 1 = m 1h1

4 1

14

Pompa

Kondesat cair yang meninggalkan kondenser di kondisi 1 dipompa dari

kondenser ke boiler yang bertekanan lebih tinggi. Dengan menggunakan volume

atur disekitar pompa dan mengasumsikan tidak ada perpindahan kalor dengan

sekitarnya, kesetimbangan laju massa dan energi adalah

m 2 = m 1 = m

m 2h2 = W pompa + m 1h1

W pompa

m = h2−h1

Dimana :

m : Laju aliran massa dari fluida kerja (kg/s)

h : entalpi (J/s)

Wp

m : tenaga masuk per unit massa yang melalui pompa.

Boiler

Fluida kerja menyelesaikan siklus ketika cairan yang meninggalkan

pompa pada kondisi 2 yang disebut air-pengisian, dipanaskan sampai jenuh dan

diuapkan kedalam boiler dengan menggunakan volume atur yang melingkupi

tabung boiler dan drum yang mengalirkan air pengisian dari kondisi 2 ke kondisi

3

W pompa

E 1 = m 1h1 1

2

𝐸 2 = 𝑚 2ℎ2

E 2 = m 2h2 E 3 = m 3h3

Qin

15

Transfer panas pada boiler (Qin) dapat dihitung

m 2 = m 3 = m

m 2h2 = Q in + m 3h3

Q inm

= h3−h2

Dimana

m : Laju aliran massa dari fluida kerja(kg/s)

Q in : Transfer panas pada boiler (J/s)

h : entalpi (J/s)

C. PENGARUH TEKANAN BOILER DAN KONDENSER TERHADAP

SIKLUS RANKINE

Gambar 2.5. Diagram temperatur entropi untuk siklus Rankine ideal

Siklus Rankine adalah siklus yang seluruhnya terdiri dari proses

reversible secara internal. Oleh sebab itu, persamaan untuk efisiensi thermalnya

dapat diperoleh dalam bentuk temperatur rata – rata.

Luas daerah dapat diinterprestasikan sebagai perpindahan kalor per unit

massa. Sebagai contoh pada gambar 2.5, sehingga perumusannya menjadi

Q inm intrev = Tds n = area 1 − b − c − 4 − a − 1

1

4

Subskrip “Int rev” dipertahankan untuk mengingatkan bahwa persamaan ini

terbatas untuk suatu proses reversible secara internal melalui pompa

Dapat ditulis juga dalam bentuk 𝑇𝑖𝑛 , sehingga persamaannya menjadi

16

Q inm intrev = T in s1 − s4

Demikian juga untuk daerah 2-b-c-3-2. Persamaannya menjadi

Qout

m intrev = Tout (s2 − s3) = area 2 − b − c − 3 − 2

1

4

= Tout s1 − s4

Maka efisiensi thermal dari siklus Rankine dapat dinyatakan dalam bentuk

perpindahan kalor sebagai

ηideal = 1 −

Q out

m intrev

Q inm intrev

= 1 −Tout

Tin

Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa efisiensi thermal siklus

ideal cenderung meningkat jika temperatur rata – rata penambahan energi melalui

proses perpindahan kalor meningkat dan atau temperatur pelepasan energi

menurun.

Persamaan diatas dapat digunakan untuk mempelajari pengaruh perubahan dalam

tekanan boiler dan kondenser terhadap kinerja.

Gambar 2.6. Pengaruh variasi tekanan operasi pada siklus Rankine ideal (a)

pengaruh tekanan boiler (b) pengaruh tekanan kondenser

Pada gambar 2.6a dijelaskan memperlihatkan 2 siklus ideal yang

memiliki tekanan kondenser yang sama tetapi tekanan boiler yang berbeda. Dari

gambar diatas dapat disimpulkan bahwa peningkatan tekanan boiler pada siklus

Rankine ideal cenderung meningkatkan efisiensi thermal.

17

Pada gambar 2.6b memperlihatkan dua siklus dengan tekanan boiler yang

sama tetapi tekanan Kondenser yang berbeda.

Dari gambar diatas dapat disimpulkan bahwa penurunan tekanan

kondenser cenderung meningkatkan efisiensi thermal.

D. IREVERSIBILITAS DAN RUGI UTAMA

Jika fluida kerja melewati bermacam-macam komponen dari siklus daya

uap sederhana tanpa irreversibilitas, gesekan, pressure dari boiler dan kondensor

maka fluida kerja akan mengalir melalui komponen-komponen ini pada tekanan

konstan. Selain itu dengan tidak adanya 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:

1. Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan

kondenser 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.

2. Adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang diperlukan (Qin)

dalam proses bertambah 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 jatuh pada banyak peralatan seperti boiler,

Kondenser dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan.

Tekanan jatuh yang besar pada boiler mengkibatkan pompa

membutuhkan tenaga yang lebih untuk memompa air ke boiler. Tekanan jatuh

juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah

sehingga kerja turbin tidak maksimal. Kerugian energi panas banyak terjadi pada

peralatan pada turbin karena proses ekspansi uap air pada sudu-sudu dan rumah

turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang

18

tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam turbin. Karena sebab-sebab

tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.

Penyimpangan 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.

Gambar 2.8. Diagram temperatur entropi menunjukan pengaruh Ireversibilitas

Turbin dan Pompa

Turbin

Irreversibilitas utama yang dialami ada hubunganya dengan ekspansi

melalui turbin. Perpindahan kalor dari turbin ke sekitarnya merupakan salah satu

bentuk rugi, tapi karena rugi ini biasanya tidak terlalu penting , maka rugi ini

diabaikan.

Seperti diilustrasikan oleh proses 1-2 pada gambar 2.8, Ekspansi

adiabatik yang aktual dalam turbin selalu disertai kenaikan entropi. Kerja yang

dihasilkan per unit massa dalam proses ini lebih kecil dari pada ekspansi

isentropik 1-2s.

Efisiensi isentropik turbin adalah

ηt = W t/m

W t/m s

=h1 − h2

h1 − h2s

Dimana pembilang merupakan kerja yang aktual yang dihasilkan per unit

massa yang melalui turbin, dan penyebut merupakan kerja untuk ekspansi

19

isentropik dari daerah masuk turbin ke tekanan keluar turbin. Ireversibilitas dalam

turbin menyebabkan penurunan yang cukup signifikan dalam keluaran daya netto

dari pembangkit tenaga.

Pompa

Masukan kerja ke pompa diperlukan untuk mengatasi gesekan juga

mengurangi keluaran daya netto dari pembangkit. Jika tidak ada perpindahan

kalor ke sekelilingnya , akan terjadi peningkatan entropi di dalam aliran yang

melewati pompa. Proses 3-4 pada gambar 2.8 mengilustrasikan proses

pemompaan yang aktual. Masukan kerja untuk proses ini lebih besar daripada

untuk proses isentropik 3-4s.

Efisiensi isentropik dari pompa dengan menggunakan penomoran pada

gambar 2.8 adalah

ηp = W p /m

s

W p/m =

h4 − h3

h4 − h3

Dalam persamaan ini , kerja pompa untuk proses isentropik muncul

sebagai pembilang. Kerja pompa aktual, yang kuantitasnya lebih besar adalah

penyebutnya. Karena kerja pompa jauh lebih kecil dari kerja turbin, Ireversibilitas

pompa memiliki pengaruh yang lebih kecil terhadap kerja netto siklus

dibandingkan dengan Ireversibilitas dalam turbin

Ketidakidealan lainnya

Ireversibilitas turbin dan pompa yang disebutkan diatas adalah

ireversibilitas internal yang dialami oleh fluida kerja ketika mengalir dalam sirkuit

tertutup siklus Rankine. Akan tetapi sumber terpenting dari ireversibilitas untuk

keseluruhan pembangkit tenaga uap berbahan fosil adalah berkaitan dengan

pembakaran bahan bakar dan perpindahan kalor yang kemudian terjadi dari

produk pembakaran yang panas ke fluida kerja siklus.

Pengaruh lain yang timbul dilingkungan sekitar adalah pelepasan energi

ke air pendingin ketika fluida kerja mengalami kondensasi. Walaupun cukup

banyak energi yang dibawa pergi oleh air pendingin, ternyata pemamfaatannya

terbatas. Untuk kondenser dimana uap berkondensasi dekat dengan temperatur

20

ambien, air pendingin mengalami peningkatan hanya beberapa derajat lebih tinggi

daripada temperatur ambien ketika melalui kondenser sehingga memiliki

kegunaan yang terbatas. Oleh karena itu , signifikansi dari rugi ini jauh lebih kecil

daripada yang diduga dari besarnya energi yang dipindahkan ke air pendingin.

Selain yang sudah disebutkan sejauh ini, terdapat beberapa sumber

ketidakidealan lainnya. Sebagai contoh , perpindahan kalor “liar” dari permukaan-

permukaan luar komponen pembangkit memiliki efek yang merugikan kinerja,

karena rugi rugi tersebut mengurangi keefektifan konversi dari masukan kalor

yang menjadi keluaran kerja. Pengaruh gesekan-gesekan yang mengakibatkan

penurunan tekanan merupakan sumber ireversibilitas internal ketika fluida kerja

mengalir melalui boiler, kondenser dan pipa yang menghubungkan berbagai

komponen.