Siklus Rankine
SIKLUS RANKINE Siklus Rankine ditemukan oleh William John. M. Rankine (1820-1872), seorang Professor dalam bidan teknik sipil pada Universitas Glasgow. Ia insinyur dan ilmuwan. Bakatnya sangat luas dan mencakup, di samping teknik sipil, juga ilmuwan bangunan kapal, bangunan air, menyanyi dan menggubah musik. Ia merupakan salah seorang tokoh besar dalam termodinamika dan merupakan orang yang pertama yang menyusun naskah formal dalam bidang tersebut. Siklus Rankine segera setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam), bahkan hingga sekarang. Berbeda dari siklus gas ideal yang merupakan siklus gas dan siklus Carnot yang merupakan siklus untuk semua fluida, siklus Rankine adalah siklus untuk uap dan cairan. Silus Rankine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit daripada siklus Rankine ideal asli yang sederhana. Siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkitan daya listrik dewasa ini. 1. Siklus Rankine Ideal Dikarenakan siklus Rankine adalah siklus uap-cair, maka paling baik bila siklus tersebut digambarkan pada kedua gambar, P-V dan T-S dengan garis-garis yang menunjukkan uap jenuh dan cairan jenuh. Fluida kerja biasanya
adalah
H2O,
tetapi
tidak
selamanya
demikian.
Gambar
1
menunjukkan diagram aliran sederhana siklus Rankine.
Mesin Konversi Energi
1
Siklus Rankine
Gambar 1. Bagan diagram alir siklus Rankine
Pada gambar 2a dan 2b ditunjukkan siklus Rankine ideal pada a diagram P-v dan b diagram T-s. Garis lengkung di sebelah kiri titik kritis (CP = Critical Point) pada kedua titik tersebut merupakan tempat kedudukan semua titik cairan jenuh dan merupakan garis cairan jenuh. Daerah di sebelah kirinya merupakan daerah cairan dingin lanjut. Garis lengkung di sebelah kanan CP merupakan kedudukan semua titik uap jenuh dan merupakan garis uap jenuh. Daerah di sebelah kanan garis ini adalah daerah panas lanjut. Daerah di bawah kubah merupakan daerah campuran dua fase (cairan dan uap).
Gambar 2. Siklus Rankine ideal (a) Diagram P-v dan (b) Diagram T-s
Mesin Konversi Energi
2
Siklus Rankine Siklus 1-2-3-4-B-1 adalah siklus Rankine jenuh, yang berarti bahwa yang masuk ke turbin adalah uap jenuh. Siklus 1’-2’-3-4-B-1’ adalah siklus Rankine panas-lanjut, yang berarti uap panas lanjut yang masuk ke turbin. Secara sederhana dapat dijelaskan proses siklus Rankine ideal ini sebagai berikut, 1-2 atau 1’-2’. Uap keluar pada 2 atau 2’, biasanya berada dalam dua fase 2-3 atau 2’-3. Proses suhu tetap dank arena merupakan proses dua fase, juga tekanan tetap untuk pembuangan kalor pada kondensor. 3-4. Kompresi adiabatik mampu balik oleh pompa terhadap cairan jenuh pada tekanan kondensor, menjadi cairan dingin lanjut pada tekanan pembangkit uap. 4-1 atau 4-1’. Penambahan kalor pada tekanan tetap dalam pembangkit uap. Bagian 4-B merupakan proses pembawa cairan dingin lanjut.
Bagian 4-B
dalam pembangkit uap disebut ekonomisator. Bagian B-1 menunjukkan pemanasan cairan jenuh menjadi uap jenuh pada tekanan dan suhu tetap. Bagian B-1 dalam pembangkit uap disebut pendidi (boiler) atau evaporator (pendidih). Bagian 1-1’ dalam siklus panas lanjut menunjukkan pemanasan uap jenuh. Bagian ini dalam pembangkit uap disebut pemanas lanjut (superheater). 2. Siklus Rankine Tak Mampu Balik Ekstern Ketidakmampubalikan
ekstern
adalah
terutama diakibatkan
oleh
perbedaan suhu antara sumber kalor primer seperti gas pembakaran dari tnaur pembangkit uap atau bahan pendingin primer dari reactor nuklir dan fluida kerja, dan perbedaan suhu antara fluida kerja yang kondensasi dan fluida sumber kalor, biasanya air pendingin kondensor.
Mesin Konversi Energi
3
Siklus Rankine
Gambar 3. Ketidakmapubalikan ekstern dengan siklus Rankine
Gambar 4. Pengaruh arah aliran terhadap ketakmampubalikan ekstern, (a) aliran parallel, (b) aliran lawan arah
3. Panas Lanjut
Mesin Konversi Energi
4
Siklus Rankine
Gambar 5. Panas lanjut dengan (a) air sebagai fluida primer, dan (b) gas atau logam cair sebagai fluida primer.
Panas lanjut dapat memperbaiki efisiensi termal siklus. Panas lanjut memungkinkan penambahan panas pada suhu rata-rata yang lebih tinggi daripada hanya dengan menggunakan uap jenuh. Dengan analogi Carnot, hal ini akan meningkatkan efisiensi siklus. Panas lanjut menghasilkan satu efek yang menguntungkan, yaitu uap yang lebih kering pada tabung pembuangan. Turbin yang beroperasi dengan tingkat kelembaban yang lebih rendah akan lebih fisien dan tidak mudah mengalami kerusakan suhu. 4. Pemanasan Ulang Tambahan peningkatan efisiensi siklus yang menggunakan fluida primer gas, seperti pada instalasi daya yang menggunakan bahan-bahan fosil atau yang berpendingin gas bias diperoleh dengan menggunakan pemanasan ulang (reheat).
Mesin Konversi Energi
5
Siklus Rankine
Dengan pemanasan ulang, kalor ditambahkan dua kali. Dengan demikian terjadi peningkatan suhu rata-rata di tempat pemanasan kalor. Pemanasan ulang juga menyebabkan uap pada buangan turbin lebih kering dan ini bermanfaat pada siklus nyata. 5. Regenerasi Regenerasi merupakan proses pertukaran antara fluida yang ekspansi dalam turbin dan fluida terkompresi sebelum penambahan kalor. Siklus gas yang terkenal menggunakan regenari adalah siklus Stirling. Suatu
kompromi
yang
dapat
mengurangi
ketidakmampubalikan
ekonomisator namun tidak bias menghapuskannya sama sekali ialah dengan menggunakan pemanasan air umpan.
Mesin Konversi Energi
6
Siklus Rankine
Ada tiga jenis pemanasan air umpan yang biasa digunakan, yaitu : 1. Jenis terbuka atau kontak langsung 2. Jenis tertutup dengan kurasan bertingkat mundur 3. Jenis tertutup dengan kurasan dipompa maju 6. Siklus Rankine Tak Mampu Balik Intern Ketidakmampubalikan terutama disebabkan oleh gesekan fluida, pencekikan, dan pencampuran. Di antara kesemuanya itu, yang terpenting adalah ketidakmampubalikan di dalam turbin dan pompa dan kehilangan tekanan di dalam penukar kalor, pipa, bengkokan, katup dan sebagainya.
Mesin Konversi Energi
7
Siklus Rankine Ketidakmampubalikan
intern
menyebabkan
terjadinya
penurunan
efisiensi siklus, tetapi kualitas uap keluar meningkat. 7. Pemanas Air Umpan Jenis Terbuka atau Pemanas Air Umpan Jenis Kontak Langsung
Pada pemanas air umpan jenis terbuka atau kontak langsung, uap yang ditarik dari jalurnya dicampurkan dengan air umpan yang dingin lanjut sehingga menghasilkan air jenuh pada tekanan uap itu. Pada proses ini, selain pompa kondensat, diperlukan lagi satu pompa tambahan untuk setiap pemanas air umpan jenis terbuka. Pemanas air umpan jenis terbuka juga berfungsi sebagai deaerator (penyingkir udara). 8. Pemanas Air Umpan Jenis Tertutup dengan Kurasan Berjenjang Mundur Pemanas air ini, walaupun menimbulkan susut ketersediaan lebih besar dari pada jenis terbuka, adalah jenis yang paling sederhana dan paling banyak dipakai dalam instalasi daya. Dalam pemanas air umpan jenis tertutup, air umpan dilewatkan melalui tabung, dan uap bocoran pada sisi selongsong memberikan energinya pada air umpan itu, lalu terkondensasi.
Mesin Konversi Energi
8
Siklus Rankine
9. Pemanas Air Umpan Jenis Tertutup dengan Kurasan Dipompa Maju Pemanas air umpan jenis tertutup yang kedua ini dapat mencegah pencekikan tetapi system menjadi agak lebih rumit karena harus memakai sebuah pompa kecil. Sama seperti sebelumnya, pemanas ini juga berupa penukar kalor selongsong dan tabung dimana air umpan dilewatkan melalui tabung. Uap bocoran yang melalui sisi selongsong memberikan energinya kepada air umpan dan terkondensasi. Air umpan dan uap tidak bercampur, dan hanya dapat diberi tekanan satu kali, namun biasanya ada pemanas deaerasi yang diikuti dengan pompa umpan pendidih disisipkan pada system. Kurasan dari system ini, bukannya dialirkan berjenjang mundur, tetapi dipompakan maju ke saluran air umpan utama. Perbedaan dengan Jenis terbuka adalah pompa yang digunakan pada system ini kecil, hanya membawa sedikit aliran.
Mesin Konversi Energi
9
Siklus Rankine
Pemanas air umpan jenis ini memberikan efisiensi siklus yang agak lebih baik apabila digunakan tanpa pendingin kurasan karena energi yang berpindah
dari
kurasan
pemanas
pada
pendingin
kurasan
itu
akan
menyebabkan turunnya suhu pada tempat penambahan energi dari sumber energi primer atau dari pemanas air umpan yang tekanannya lebih tinggi. 10. Pemilihan Pemanas Air Umpan Pada umumnya, jenis pemanas air umpan yang dipilih bergantung pada berbagai factor, di antaranya optimisasi rancang dan kesukaan perancang sendiri, aspek-aspek kritis, biaya, dan sebagainya. Olehnya itu, jenis rancang siklus sangat beragam. Namun, ada beberapa cirri yang bersifat agak umum. 1. Satu pemanas air umpan jenis terbuka yang juga berfungsi sebagai deaerator dank arena itu juga disebut pemanas deaerasi. Ini terdapat pada instalasi daya yang menggunakan bahan baakr fosil. System ini masih jarang dipakai dalam instalasi daya nuklir yang menggunakan pendingin dan moderasi air karena adanya masalah radiasi yang bias lepas bersama dengan deaerasi. 2. Pemanas air umpan jenis tertutup dengan kurasan berjenjang mundur merupakan jenis yang paling umum yang digunakan sebelum atau sesudah pemanas DA. Pemanas ini biasanya mempunyai bagian pembuang panas lanjut dan pendingin kurasan yang terpadu pada
Mesin Konversi Energi
10
Siklus Rankine tahap tekanan tinggi. Akan tetapi di sini ada bagian pemana lanjut pada tahap tekanan sangat rendah karena uap bocorannya jenuh atau basah. 3. Satu pemanasan air uman jenis tertutup dengan kurasan dipompakan maju biasanya digunakan sebagai pemanas air umpan tekanan paling rendah untuk memompakan semua kurasan yang terkumpul kembali ke pipa air umpan sebagaimana disebutkan di atas. Perbandingan siklus-siklus itu menunjukkan adanya peningkatan efisiensi yang cukup besar akibat pemanasan lanjut, pemanasan ulang, dan penggunaan lebih dari satu pemanas air umpan. Perbedaan antara berbagai jenis pemanas air umpan tidak terlalu besar, namun sekecil apapun, dapat berarti besar pada biaya bahan baker, dan sebagainya. 11. Efisiensi dan Laju Kalor Dalam analisis termodinamik siklus dan instalasi daya, yang paling penting adalah efisiensi termal dan keluaran daya. Efisiensi termal adalah rasio antara kerja netto dan kalor yang ditambahkan pada siklus atau instalasi
daya.
Analisis
instalasi
daya
yang
lengkap
haruslah
memperhitungkan semua alat tambahan, ketidakidealan turbin, pompa, gesekan, perpindahan kalor, pencekikan, dan sebagainya. Efisiensi bruto adalah efisiensi yang dihitung atas dasar kerja bruto atau daya bruto turbin generator. Kerja atau daya bruto adalah yang dihasilkan sebelum sebagian daya diambil untuk menjalankan instalasi itu sendiri.
Yaitu
untuk
menjalankan
pompa,
kompresor,
peralatan
penanganan bahan bakar, alat-alat lain, laboratorium, computer, system pemanasan, lampu dan sebagainya.
Mesin Konversi Energi
11
Siklus Rankine
Efisiensi netto dihitung atas dasar kerja atau daya neto instalasi daya, yaitu daya bruto dikurangi dengan daya yang diambil seperti yang dimaksudkan di atas. 12. Kogenerasi Kogenerasi
atau pembangkitan serentak adalah pembangkitan
listrik dan uap (atau kalor) secara bersamaan dalam suatu instalasi daya. Ada dua kategori besar kogenerasi :
1. Siklus penggalan atas (topping cycle), dimana kalor primer pada ujung
suhu
tinggi
siklus
Rankine
digunakan
untuk
membangkitkan uap tekanan tinggi suhu tinggi dan listrik dengan cara biasa.
2. Siklus penggalan bawah (bottoming cycle) dimana kalor primer digunakan pada suhu tinggi langsung untuk kebutuhan proses.
Mesin Konversi Energi
12
