Siklus Rankine

SIKLUS RANKINE

Siklus rankine adalah siklus thermodinamika yang merubah panas menjadi kerja. Panas 

 yang di suplai secara eksternal pada aliran tertutup yang biasanya menggunakan air sebagai media fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energy listrik yang dihasilkan dari seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan skotlandia, William John Maqcuorn Rankine. Siklus rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum di temukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah Batubara, gas alam, minyak bumi, nuklir dan panas matahari. Fluida pada siklus rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, tetapi air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar dan murah. (sumber : wikipedia.org) 

 

                                                                Siklus Rankine sederhana 

 

 

                                                           Siklus Rankine ideal

          PRINSIP KERJA

1. Air masuk ke pompa pada kondisi 1 pada fase cair jenuh ( Saturated liquid ) dan dikompesi  sampai tekanan operasi boiler. Tekanan air akan meningkat selama kompresi isentropik yang disebabkan oleh terjadinya penurunan volume spesifik air
2. Air memasuki boiler sebagai cairan yang terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada tekanan konstan (isobar). Seluruh bagian dari boiler yang menhasilkan uap disebut steam generator 
3. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin utnuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator yang kemudaian menghasilkan energi listrik. Tekanan dan temperatur uap akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana uap akan masuk ke kondensor dan biasanya sudah dalam fase campuran ( liquid - Vapour mixture )  
4. Uap yang masuk ke kondensor akan dikondensasikan pada P konstan di dalam kondensor dan akan meninggalkan sebagai cairan jenuh yang akan masuk kembali ke pompa, begitu seterusnya  

                                                                    

                                                  Grafik siklus rankine sederhana ( tanpa superheater )

                                               Effisiensi siklus rankine sederhana ( tanpa superheater )

 SIKLUS RANKINE dengan Superheater

• Untuk meningkatkan effisiensi siklus, maka boiler modern dilengkapi dengan pemanas uap lanjut ( Superheater ) untuk menaikkan temperatur uap yang keluar dari boiler, dengan cara ini kandungan energi panas dalam uap yang akan masuk ke turbin menjadi lebih tinggi 
• Proses yang terjadi di dalam superheater sendiri adalah proses kenaikan temperatur melalui penambahan panas superheat yang berlangsung secara isobar

Gambar skema siklus rankine dengan superheater

Grafik siklus rankine dengan superheater

                                                       Perhitungan effisiensi dengan superheater

Usaha yang dilakukan untuk meningkatkan effisiensi 

·       PLTU merupakan pembangkit yang paling banyak digunakan untuk memproduksi energy listrik, sehingga peningkatan effisiensi thermal sekecil apapun akan menyebabkan penghematan jumlah pemakaian bahan bakar yang relative besar. 

·       Ide dasar yang digunakan sebagaidasar untuk meningkatkan effisiensi PLTU adalah dengan menigkatkan temperature rata – rata pada saat kalor diberikan oleh boiler ke fluida kerja atau menurunkan temperature rata” pada saat kalor dilepaskan oleh fluida kerja ke kondensor. 

•   Dengan menurunkan tekanan kondensor
  

·       Dengan menurunkan tekanan kondensor hingga dibawah tekanan atmosfer ( vakum ), memang diperbolehkan, tetapi tetap harus memperhatikan batasan batasan yang ada

·                       Air sebagai media kerja utama dalam pembangkit tenaga listrik,memiliki nilai titik didih yang bervariasi tergantung dari tekanannya, dimana semakin tinggi tekanan maka nilai titik didih air akan semakin besar, dan begitu juga sebaliknya

·                       Dengan mempertimbangkan hal yang diatas tersebut maka tekanan kondensor tidak boleh terlalu kecil ( vakum ), jika tekanan kondensor mencapai tekanan jenuh dari air hotwell, maka akan menyebabkan air di hotwell tersebut akan menguap

·                 Nilai tekanan vakum pada kondensor berkisar di angka – 92 kpa dengan titik didih air pada tekanan tersebut sebesar ± 45^o C

·                  Menaikkan effisiensi thermal PLTU dengan cara menurunkan tekanan kondensor bukannya tanpa efek samping

·                 Pada saat tekanan kondensor diturunkan, akan terdapat kemungkinan dimana udara bisa menerobos masuk ke dalam kondensor, sehingga juga akan terjadi kemungkinan peningkatan kandungan tingkat kebasahan (moisture) uap yang masuk di stage turbine yang terakhir

·                  

                     Uap basah tersebut sebisa mungkin harus dihindari karena bisa menyebabkan penurunan effisiensi turbin dan terjadinya erosi pada sudu terakhir dari blade turbin, namun permasalahan permasalahan tersebut dapat di tanggulangi dengan beberapa metode berikut :

1. Meningkatkan temperature steam inlet turbine

Keterangan :

·                     Dengan meningkatkan temperature uap yang masukke turbin makan akan menurunkan kandungan tingkat kebasahan pada outlet turbin

·       Pada diagram diatas terlihat bahwa kualitas uap pada titik 4’ lebih kering daripada uap pada titik 4

·       Temeperatur uap yang masuk tentu saja mempunyai keterbatasan, dengan mempertimbangkan dari sisi metalurgi

·       Pada teknologi sekarang ini, temperature tertinggi yang masih diperbolehkan masuk ke inlet turbin adalah sebesar 620^o C,dengan adanya teknologi material baru yang lebih modern dapat memungkinkan utnuk ditemukannya material yang tahan terhadap termperatur tinggi, misalnya : keramik

 2.  Meningkatkan tekanan boiler

·       SIKLUS RANKINE AKTUAL

Pada siklus rankine yang actual terjadi pergeseran garis yang tidak sepenuhnya lurus dan simetris, tetapi tentu saja menyesuaikan dengan kondisi actual sesuai dengan data yang tertulis. Pada siklus rankine actual ada beberapa pertimbangan yang jadi suatu bahan perhitungan tersendiri, antara lain :

• Adanya kerugian gesekan yang terjadi di dalam pipa sehingga akan menimbulkan pressure losses.

• Adanya kerugian panas yang dapat menyebabkan hilangnya sebagian kalor yang terdapat pada uap yang dihasilkan boiler, sehingga untuk mendapatkan kerja turbin yang sama, maka dibutuhkan input kalor yang lebih besar sehingga effisiensi thermal secara keseluruhan akan menurun. 
•    Pada siklus rankine actual kerja pompa yang dibutuhkan menjadi lebih besar, sedangkan kerja yang dihasilkan oleh turbin menjadi lebih kecil

                                                                  Grafik siklus rankine actual 

                                                     Analisa siklus rankine actual

• ·      Pada pembangkit kapasitas besar penambahan superheater masih kurang memenuhi kebutuhan, maka selain ditambahkan superheater, pada pembangkit besar juga dilengkapi dengan reheater, pada siklus yang dilengkapi dengan reheater, uap dari turbin tekanan tinggi dialirkan ke reheater untuk dipanaskan lagi kemudian dialirkan ke sudu turbin tekanan menengah dan tekanan rendah.

• ·      Proses yang terjadi pada superheater dan reheater yaitu pemanasan uap secara isobar (proses tekanan konstan)