MAKALAH SIKLUS RANKINE
Disusun Oleh : Nama
:Ferino Galang Suryatmoro
NIM
:!"##"$#%
&urusan
:D# 'e(ni( Mesin
)ROGRAM S'UDI 'EKNIK MESIN FAKUL'AS 'EKNOLOGI INDUS'RI INS'I'U' SAINS * 'EKNOLOGI AK)RIND +OG+AKAR'A ,$-.,$/
A )engertian Si(lus Ran(ine
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 pad fluida kerja yang digunakan. Siklus Rankine fluida kerjanya adalah dua fase fluida, yaitu cair (liquid) dan uap (apor), 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 senya!a karbon aromatik. "erkuri juga pernah digunakan sebagai fluida kerja siklus Rankine, hanya saja harganya sangat mahal dan berbahaya.
B Kom0onen Si(lus Ran(ine
#ambar $. Sistem Siklus Rankine
Sistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu% $ & '
Pump Boiler urbine *ondenser +luida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk
boiler atau ketel uap. ari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur
kemudian didalam boiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. -ap yang sudah dipanaskan di boiler kemudian masuk turbin. +ulida kerja mengalami ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. Selama proses ekspansi pada turbin terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudusudu menghasilkan putaran poros turbin. -ap yang keluar dari turbin kemudian dikondensasi pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun. /emudian siklus berulang lagi. *airan yang meninggalkan kondensor pada $ dipompa dari tekanan londensor ke tekanan boiler maka kesetimbangan massa dan energi% ´ p W =h2− h1 m ´
($)
W p ´
imana
adalah laju daya input per unit massa mele!ati pompa.
m ´
+luida kerja suatu siklus seperti air meninggalkan pompa pada & disebut boiler feedwater dipanaskan sampai saturasi dan diuapkan di dalam boiler. ari keadaan & sampai ', kesetimbangan lju massa dan energi% Q´ ¿ = h3− h2 ´ m
imana
(&)
Q´ ¿ ´ adalah laju heat transfer dari sumber energi ke fluida kerja per unit m
massa melalui boiler. Pada #ambar $, uap dari boiler pada keadaan ' mempunyai kenaikan temperatur, berekspansi melalui turbin menghasilkan kerja dan kemudian dikeluarkan ke kondensor pada keadaan dengan tekanan rendah. 0eat transfer dengan lingkungan diabaikan , laju kesetimbangan massa dan energi untuk control olume sekitar turbin pada steady staete memberikan%
0
[
2
´ t + m =Q´CV −W ´ h −h + 3
4
2
V 1−V 2 2
+ g ( z − z ) 3
4
]
(')
1tau%
imana
m ´
´ t W = h3 −h4 m ´
()
menunjukkan laju aliran massa fluida kerja dan
´ t W m ´ adalah laju
kerja yang dibangkitkan per unit massa uap melalui turbin. Pada kondensor disini heat transfer dari uap ke air pendingin mengalir dalam aliran separasi. -ap kondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada steady state, kesetimbangan massa dan energi untuk control olume% Q´out = h4 −h1 (2) m ´ Q´out imana
m ´
adalah laju energi yang ditransfer oleh panas dari fluida kerja ke air
pendingin per unit massa fluida kerja melalui kondensor.
1 )roses Si(lus Ran(ine
#ambar &. iagram s siklus Rankine
Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreersibel internal dan terdiri dari tahapan proses % 3 $ 4 & merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa. 3 & 4 ' Penambahan panas dalam boiler pada P 5 konstan.
3 ' 4 6kspansi isentropik ke dalam turbin. 3 4 $ Pelepasan panas di dalam kondenser pada P 5 konstan.
1ir masuk pompa pada kondisi $ sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. emperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikit pengurangan dari olume spesifik air. 7arak ertikal antara $ 4 & pada 4 s diagram ini biasanya dilebihkan untuk lebih amannya proses. 1ir memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi & dan akan menjadi uap superheated pada kondisi '. imana panas diberikan oleh boiler ke air pada tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator . -ap superheated pada kondisi ' kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P dan dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 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. 8ngat bah!a data diba!ah kura proses pada diagram 4 s menunjukkan transfer panas untuk proses reersibel internal. 1rea diba!ah kura proses & 4 ' menunjukkan panas yang ditransfer ke boiler, dan area diba!ah kura proses 4 $ menunjukkan panas yang dilepaskan di kondenser. Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.
Si(lus Ran(ine I2eal Dan A(tual 7ika fluida kerja mele!ati bermacammacam komponen dari siklus daya uap sederhana tanpa irreersibilitas, gesekan pressure drop dari boiler dan kondenor dan fluida kerja akan mengalir melalui komponen pada tekanan konstan, juga tidak ada reersibilitas dan heat transfer dengan lingkungan, proses melalui turbin dan pompa akan isentropis, sehingga suatu siklus menjadi ideal (siklus Rankine ideal).
#ambar '. iagram temperatur 4 entropi siklus Rankine ideal
Pada kenyataannya terdapat penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena%
$. 1danya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan condenser sehingga tekanan steam saat keluar boiler sangat rendah sehingga kerja yang dihasilkan turbin (9out) menurun dan efisiensinya menurun. 0al ini dapat diatasi dengan meningkatkan tekanan fluida yang masuk. &. 1danya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang diperlukan (:in) 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. #esekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler, kondensor dan di pipapipa yang menghubungkan banyak peralatan. ekanan jatuh yang besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa air ke boiler. ekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal. /erugian energi panas
banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses ekspansi uap air pada sudu sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. /ebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam turbin. /arena sebab sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.
#ambar . iagram s siklus Rankine ideal dan aktual
Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreersibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa membutuhkan kerja (9in) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja (9out) yang lebih rendah seperti pada grafik diba!ah ini%
#ambar 2. iagram s siklus rankine actual
6fisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreersibilitas dapat dihitung dengan%
imana% &a ; a
menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin dan pompa
&a ; s
menyatakan keadaan isentropik.
E Analisa Energi 2an E3isiensi )a2a Si(lus Ran(ine
1nalisis energi ini dilihat dari tiap komponen (alatalat) yang terdapat pada siklus Rankine dengan menggunakan asumsi bah!a komponenkomponen tersebut bekerja pada aliran steady. Persamaan energi untuk sistem yang alirannya steady yaitu%
<6 5 m(h=6p=6k)i 4 m(h=6k=6p)e = : 4 9 > 5 hi 4 he = : 4 9 : 9 5 he 4 hi
Persamaan energi untuk masingmasing komponen dapat ditulis% • • • •
Pompa (: 5 >) 9pompa,in 5 h& 4 h$ Boiler (9 5 >) :in 5 h' 4 h& urbin (: 5 >) 9turb,out 5 h' 4 h *ondenser (9 5 >) :out 5 h 4 h$
Berdasarkan hal diatas diperoleh 9net yaitu % 9net 5 :in 4 :out 5 9turb,out 4 9pompa,in
6fisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis % W net ?5
Q¿
= 1−
Qout Q¿
F )arameter 2esain
-ntuk membuat sistem siklus Rankine dengan efisiensi termal yang baik serta untuk menghindari penyimpangan siklus lain, dalam mendesain sistem siklus Renkine harus memperhatikan parameterparameter berikut% $. ekanan "inimum /ondensor engan menurunkan tekanan minimum akan meningkatkan efisiensi termal dan kerja spesifik dari siklus, tetapi akan meningkatkan kelembaban pada keluaran turbin, menimbulkan kebocoran udara, menurunkan efisiensi turbin dan mengerosi turbin. Batasan tekanan yang dibuat yaitu P @ Psat. &. emperatur "aksimum Steam engan menaikkan temperatur superheated steam akan meningkatkan kerja spesifik, dan menurunkan kelembaban dalam steam pada keluaran turbin.
Batasan dari
temperatur steam adalah A &>>⁰*. '. ekanan "aksimum Boiler engan meningkatkan tekanan maksimum akan meningkatkan kerja spesifik jika temperatur maksimum boiler juga dipelihara, tapi akan meningkatkan kelembaban dalam keluaran turbin. Solusi dari masalah tersebut adalah dengan pemanasan kembali.
Da3tar )usta(a *ulp, 1rchie 9. $CDE. Principles of Energy Conversion. "c#ra!0ill, 8nc% Singapore http%FFmesin.ub.ac.idFdiktatGajarFdataF>'GaGtermo&.pdf http%FFrepository.ui.ac.idFcontentsFkoleksiF$$F>C>b$2&>a2'$&E$>D&a2$f$fe>f$E2ECD D>&cb.pdf http%FF!!!.scribd.comFdocF2>&&22Fbukuajarmesinkonersienergi
