Siiklus Rankine dalam sistem Tenaga Uap

1. 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 o
C (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur
sekitar 30 o
C. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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.

6. 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
E3 = m3h3
E4 = m4h4
3
4

7. 13
m3  m4  m
m3h3  Wturb  m4h4
Wturb  m(h3  h4 )
Dimana
m : laju aliran massa dari fluida kerja (kg/s)
W
turb : 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
m4 = m1 = m
m4h4 = Qout + m1h1
Qout
m
= h4−h1
Dimana
m : laju aliran massa dari fluida kerja(kg/s)
Qout : jumlah panas yang dilepas pada Kondenser (J/s)
h : entalpi(J/s)
Qout
E4 = m4h4 E1 = m1h1
4 1

8. 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
m2 = m1 = m
m2h2 = Wpompa + m1h1
Wpompa
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
Wpompa
E1 = m1h11
2
𝐸2 = 𝑚2ℎ2
E2 = m2h2
E3 = m3h3
Qin

9. 15
Transfer panas pada boiler (Qin) dapat dihitung
m2 = m3 = m
m2h2 = Qin + m3h3
Qin
m
= h3−h2
Dimana
m : Laju aliran massa dari fluida kerja(kg/s)
Qin : 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
Qin
m
intrev = Tdsn = 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

10. 16
Qin
m
intrev = Tin 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 −
Qout
m
intrev
Qin
m
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.

11. 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

12. 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 =
Wt/m
Wt/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

13. 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 =
Wp/m
s
Wp/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

14. 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.