Downloaded 144 times
Uploaded bySulistiyo Wibowo
Siklus rankine
Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja, dengan air sebagai fluida utama dan menghasilkan sekitar 80% energi listrik global. Siklus ini terdiri dari komponen seperti pompa, boiler, turbin, dan kondenser, serta dapat ditingkatkan efisiensinya melalui konsep pemanasan ulang dan siklus regeneratif. Selain itu, tekanan pada boiler dan kondenser sangat mempengaruhi efisiensi thermal siklus, di mana peningkatan tekanan boiler dan penurunan tekanan kondenser dapat meningkatkan efisiensi.
More Related Content
Siklus rankine
- 1. 7 BAB II PEMBAHASAN A. SiklusRankine 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 Rankineyang 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 Jikafluida 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 KERJAUTAMA 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 m3 m4 m m3h3 Wturb m4h4 Wturb 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 yangmeninggalkan 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 padaboiler (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 = Tins1 − 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 2.6bmemperlihatkan 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 daerahmasuk 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 pendinginmengalami 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.