Analisa termodinamika siklus Rankine sederhana dilakukan untuk mengukur efisiensi termal dengan menganalisis sifat-sifat termodinamika. Perhitungan dilakukan secara manual menggunakan tabel uap-air dan menggunakan perangkat lunak Engineering Equation Solver (EES) dan add-ins excel. Hasil perhitungan ketiga metode memiliki persentase kesalahan kurang dari 0,01%

1. Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com
0813 7093 4621 1
STUDI KASUS: ANALISA THERMODINAMIKA SIKLUS RANKINE SEDERHANA
MENGGUNAKAN ENGINEERING SOLVER EQUATIONS (EES) DAN ADD-INS EXCEL
Ali Hasimi Pane
Advance Learning Program (ALP)
HP: 0813 7093 4621, Email: ali.h.pane@gmail.com
Abstrak
Analisa thermodinamika, seperti analisa energi terhadap siklus Rankine sederhana adalah dilakukan untuk
mendapatkan gambaran tentang besaran efisiensi thermal atau performansi dari siklus tersebut, dimana siklus Rankine
akan diaplikasikan sebagai pembangkit daya, energi thermal, ataupun kedua-duanya. Dalam hal analisa siklus Rankine
adalah sangat bergantung atas penggunaan tabel sifat-sifat thermodinamika dari fluida kerja yang diapplikasikan.
Oleh karena itu, untuk mempermudah dalam penentuan besaran sifat thermodinamika tersebut ada banyak applikasi
perangkat lunak komputer, seperti yang akan digunakan dalam tulisan ini adalah Engineering Equation Solver atau
(EES) dan add-ins excel program. Untuk penggunaannya, hasil perhitungan manual menggunakan tabel uap-air yang
dipublikasikan ASME tahun 2006 akan dibandingkan langsung dengan hasil perhitungan dari EES dan add-ins excel.
Dari hasil perhitungan yaitu dengan cara manual (tabel uap-air), EES, dan Add-ins excel jika dibandingkan ketiga
cara tersebut, diperoleh persentase error-nya antara 0,00914%.
Keyword: Thermodinamika, siklus Rankine simple, analisa energi, EES, dan Add-ins excel
I. Pendahuluan
Siklus Rankine (gambar 1) adalah merupakan
siklus yang paling dominan diaplikasikan dalam sistem
pembangkit tenaga uap, dimana komponen utamanya
adalah terdiri dari boiler, turbin uap, kondensor, dan
pompa. Selain itu, untuk meningkatkan efisiensi thermal
siklus ditambah alat seperti, superheater, reheater,
ekonomiser. Aplikasi dari siklus Rankine bisa dalam
siklus terbuka maupun tertutup, dan dapat dimanfaatkan
sesuai kebutuhan, seperti: pembangkit tenaga energi
listrik, proses energi thermal/panas, dan kombinasi dari
keduanya. Dalam tulisan ini, akan memperhatikan siklus
Rankine yang digunakan sebagai pembangkit tenaga
energi listrik.
Dalam menentukan besaran efisiensi siklus yang
berdasarkan energi thermalnya, maka digunakan analisa
thermodinamika, dan dalam proses penyelesaian analisa
tersbut dapat digunakan beberapa aplikasi engineering
software, dalam kesempatan ini akan digunakan
engineering equation solver (EES) dan add-ins excel.
II. Studi Literatur
Analisa thermodinamika terhadap siklus
Rankine adalah dilakukan untuk mengukur efisiensi
thermal dengan menganalisa sifat-sifat thermodinamika
sebagai fungsi dari tekanan dan temperatur kerja pada
siklus. Dari gambar 1 dan 2 adalah merupakan proses-
proses yang berlangsung dalam siklus Rankine:
- Titik 1-2 adalah proses kerja pompa inkompresibel
- Titik 2-a-b-3 adalah proses evaporasi
- Titik 3-4 adalah proses kerja turbin uap
- Titik 4-1 adalah proses kondensasi
Gambar 1. Siklus Rankine ideal sederhana

2. Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com
0813 7093 4621 2
Gambar 2. Diagram siklus Rankine ideal sederhana
Siklus Rankine ideal (gambaar 2), tidak akan
tercapai pada keadaan operasi sebenarnya, karena alasan
teknis dan design daripada sistem. Pada gambar 2
terdapat pengasumsian proses berlangsung secara ideal,
seperti pada kerja turbin dan pompa berlangsung secara
isentropis. Berbeda halnya siklus Rankine aktual (gambar
3), dimana siklus dianalisa dengan mempertimbangkan
kerugian-kerugian yang mungkin terjadi ketika proses
berlangsung. Persamaan dasar analisis thermodinamika
untuk siklus Rankine adalah sebagai berikut:
Gambar 3. Siklus Rankine aktual
Proses 1-2 adalah proses kompresi cairan jenuh pada
pompa, dimana kerja pompa ditentukan untuk teoritis
(wp,s) dan kerja pompa aktual, sebagai berikut:
)( 1211,2
,
PPvhh
m
w
s
sp


…1
dimana m laju aliran massa uap, maka,
)]([ 1211,2 PPvhh s  …2
kerja pompa aktual,
p
sactp hh
hh
m
w

1,2
12
, 


…3
dimana p adalah efisiensi isentropis pompa, maka







 

p
s hh
hh

)( 1,2
12 …4
dan kerja netto siklus:
m
w
m
w
w
actpactt
siklusnet

,,
,  …5
Proses 2-a-b-3 adalah proses energi kalor masuk untuk
proses penguapan dalam boiler, maka jumlah energi
kalor masuk:
23 hh
m
qin


…6
Proses 3-4 adalah proses ekpansi uap dalam turbin untuk
menghasilkan kerja/daya, dimana kerja turbin teoritis
(wt,s) dan aktual (wt,act), dapat ditentukan:
s
st
hh
m
w
,43
,


…7
dimana h4,s ditentukan berdasarkan tekanan kondesor dan
kualitas uap kondensat turbin, dan kerja turbin aktual
dapat ditentukan:
ts
actt
hhhh
m
w
 )( ,4343
,

…8
dimana t adalah efisiensi isentropis turbin, maka
])[( ,4334  shhhh …9
Proses 4-1 adalah proses kondensasi, maka energi kalor
yang dilepaskan kondensor dapt ditentukan:
14 hh
m
qout


…10

3. Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com
0813 7093 4621 3
Sementara efisiensi thermal dan back work ratio (bwr)
siklus dapat ditentukan:
mq
m
ww
in
actpactt
siklusTh


/
,,
,







 
 …11
dan
mw
mw
bwr
actt
actp


/
/,
 …12
Dalam penyelesaian persamaan matematika tersebut,
maka untuk mengetahui besaran sifat termodinamikanya
adalah dengan menggunakan tabel uap-air pada keadaan
saturasi dan keadaan uap panas lanjut.
III. Data dan Metodologi
3.1. Data teknis siklus Rankine
Daya output netto siklus = 500MW
Uap superheat masuk turbin uap = 450 o
C, 10 Mpa
Tekanan kondensor = 10 kPa
Efisiensi isentropis pompa = 0,95
Efisiensi isentropis turbin uap = 0,80
3.2. Metodologi
Metodologi penyelesaian adalah merupakan
aplikasi persamaan-persamaan thermodinamika, melalui
analisa energi yang mempertimbangkan sifat-sifat
thermodinamika, kemudian dalam proses
penyelesaiannya sendiri dimanfaatkan aplikasi perangkat
lunak komputer seperti EES dan add-ins excel.
IV. Hasil dan Pembahasan
Penyelesaian dari data teknis untuk siklus
Rankine dalam persoalan ini, pertama dengan
menggunakan data dari tabel sifat-sifat uap air yang
dipublikasikan ASME tahun 2006. Selanjutnya hasil
perhitungan tersebut dibandingkan dengan hasil
perhitungan menggunakan add-ins excel dan EES
software. Hasil dari perhitungan manual dan penggunaan
perangkat lunak akan dibandingkan satu dengan lainnya.
4.1. Analisa perhitungan menggunakan tabel uap-air
Hasil dari perhitungan menggunakan tabel uap dan
dihitung secara manual, dapat dilihat pada tabel 4.1.
4.2. Analisa perhitungan menggunakan Add-ins excel
Add-ins excel adalah merupakan pengembangan
tool dalam aplikasi program excel. Masukan data dan
hasil dapat dilihat pada gambar 4 dan 5.
4.3. Analisa perhitungan menggunakan EES software
Dalam analisa thermodinamika, dipilih fluida kerja
yang digunakan dalam siklus Rankine, kemudian
menuliskan algoritma persamaannya secara detail dan
berurutan sesuai kode program yang berlaku. Setelah itu,
dengan menekan icon solve, maka secara otomatis akan
menampilkan jawaban atas kasus yang dianalisa, seperti
gambar 6, 7, dan 8.
Sebagai bahan perbandingan untuk hasil perhitungan
akhir dengan menggunakan ke-3 metode tersebut, dapat
dilihat seperti tabel 4.2. Dari ketiga metode perhitungan
tersebut diperoleh persentase error-nya adalah sebesar
0,00914%.
Tabel 4.1. Hasil perhitunggan menggunakan tabel uap-air

4. Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com
0813 7093 4621 4
Tabel 4.2. Hasil Perhitungan (manual dan menggunakan perangkat lunak komputer)

5. Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com
0813 7093 4621 5
Gambar 6. Kode algoritma persamaan matematika
Gambar 7. Sambungan kode algoritma persamaan matematika

6. Ali Hasimi Pane ali.h.pane@gmail.com
0813 7093 4621 6
Gambar 8. Hasil perhitungan dari EES software
V. Kesimpulan
Dari hasil analisa perhitungan untuk siklus Rankine
simple dengan menggunakan 3 metode penyelesaian,
yaitu metode manual (menggunakan data tabel uap-air
publikasi ASME tahun 2006), EES software, dan Add-ins
excel, menunjukkan bahwa trend hasil akhir perhitungan
tidak memiliki selisih yang terlalu signifikan, atau jika
dipersentasekan antara ketiga metode tersebut diperoleh
persentase error-nya adalah sebesar 0,00914%. Oleh
karena itu, penggunaan EES software dan Add-ins excel
sangatlah membantu untuk memperoleh hasil akhir yang
cepat dalam penyelesaian persoalan-persoalan siklus
Rankine, apalagi diketahui bahwa ada siklus Rankine
modifikasi, dimana pada siklus tersebut ada pemasangan
alat-alat penukar kalor sebagai meningkatkan efisiensi
thermal siklus Rankine.
VI. Referensi
[1]. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles,
Thermodynamics: An Engineering Approach, Fifth
Edition, McGraw-Hill Companies, Inc.
[2]. Michael. Moran, Howard N . Shapiro, Daisie D.
Boettner, Margaret B. Bailey, Fundamentals of
Engineering Thermodynamics, Seventh Edition, John
Wiley & Sons, Inc, 2011.
[3]. EES manual handbook by F-Chart software
Biography
Ali Hasimi Pane,
Owner Advance Learning Program
(ALP), kandidat mahasiswa
magister (S2) teknik mesin USU –
Medan, dengan konsentrasi studi
konversi energi. Sarjana Teknik
(S1) tahun 2004 dari Institut
Teknologi Medan (ITM),
konsentrasi studi konversi energi.