BAB II

TINJAUAN PUSTAKA2.1 Siklus Rankine (Rankine Cycle)

Siklus merupakan rantaian dari beberapa proses yang dimulai dari suatu tingkat keadaan kemudian kembali ke tingkat keadaan semula dan terjadi secara berulang. Pada pembangkit tenaga uap, fluida yang mengalami proses-proses tersebut adalah air. Air berfungsi sebagai fluida kerja. Air dalam siklus kerjanya mengalami proses-proses pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan, dan kompresi. Siklus pembangkit tenaga uap yang telah diterima sebagai siklus standarnya adalah siklus rankine. Siklus rankine sederhana terdiri dari empat komponen utama yaitu pompa, boiler, turbin, dan condenser. (Adi, 2008)

Siklus rankine atau rankine cycle adalah sebuah siklus yang mengkonversi energi panas menjadi kerja/energi gerak. Dikembangkan oleh William John Macquorn Rankine pada abad ke-19 dan sejak saat itu banyak diaplikasikan pada mesin-mesin uap. Saat ini, siklus rankine digunakan pada pembangkit-pembangkit listrik dan memproduksi 90% listrik di dunia.(http://onnyapriyahanda.com)Prinsip kerja dan heat transfer

Asumsi :

Heat transfer antara system ke lingkungan diabaikan

Energy kinetic dan potensial diabaikan

Setiap komponen beroperasi pada steady state

Penggunaan bersama-sama prinsip konservasi massa dan energi

Gambar 1 . Prinsip Kerja dan Heat Transfer dari Sistem Tenaga

Uap SederhanaPada gambar 1, uap dari boiler pada keadaan 1 mempunyai kenaikan temperatur dan tekanan, berekspansi melalui turbin menghasilkan kerja dan kemudian dikeluarkan ke kondensor pada keadaan 2 dengan tekanan rendah. Heat transfer dengan lingkungan diabaikan, laju kesetimbangan massa dan energi untuk control volume sekitar turbin pada steady state memberikan :

0 = ev - t + [h1 h2 + + g (z1-z2)]

atau :

= h1 h2

(1)dimana menunjukkan laju aliran massa fluida kerja dan adalah laju kerja yang dibangkitkan per unit massa uap melalui turbin.

Pada kondensor, heat transfer dari uap air pendingin mengalir dalam aliran separasi. Uap kondensasi dan temperature air pendingin meningkat. Pada steady state, kesetimbangan massa dan energi untuk control volume :

= h2 - h3

(2)

dimana adalah laju energy yang ditransfer oleh panas dari fluida kerja ke air pendingin per unit massa fluida kerja melalui kondensor. Cairan kondensat meninggalkan kondensor pada 3 dipompa dari tekanan kondensor ke tekanan boile rmaka kesetimbangan massa dan energi :

= h4 - h3 (3)

dimana adalah laju daya input per unit massa melewati pompa.Fluida kerja suatu siklus seperti liquid meninggalkan pompa pada keadaan 4 disebut boiler feedwater dipanaskan sampai saturasi dan diuapkan di dalam boiler. Dalam keadaan 4sampai 1, kesetimbangan laju massa dan energi : = h1 - h2

(4)Dimana adalah laju heat transfer dari sumber energy ke fluida kerja per unit massa melalui boiler.

Efisiensi thermal mengukur tingkat dimana energy input pada fluida kerja melalui boiler dikonversi ke total kerja output. Efisiensi thermal dari siklus daya gambar 1 adalah :

= =

(5)

Parameter yang lain digunakan untuk menjabarkan performan power plant adalah back work ratio (bwr) didefinisikan sebagai rasio kerja input pompa terhadap kerja yang dibangkitkan oleh turbin. Back work ratio (bwr) untuk siklus daya :

=

(6)(Wahyudi, 2003)

Pada kenyataannnya terdapat penyimpangan dalam siklus rankine yang terjadi karena :a. Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan condenser 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.

b. Adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang diperlukan (Qin) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya berkurang.

Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja (Wout) yang lebih.

(Poulanka, 2012)

2.2 Siklus Rankine Ideal

Jika fluida kerja melewati bermacam-macam komponen dari siklus daya uap sederhana tanpa irreversibilitas, gesekan pressure drop dari boiler dan kondensor dan fluida kerja akan mengalir melalui komponen pada tekanan konstan. Juga tidak ada irreversibilitas dan heat transfer dengan lingkungan, proses melalui turbin dan pompa akan isentropis. Suatu siklus akan menjadi ideal (siklus rankine ideal).

(Wahyudi, 2003)

Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus rankine. Siklus rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika siklus uap dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isothermal.

Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalor pada siklus Carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan entalpi fluida kerja akan menghasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak pada perubahan temperatur. Temperature hanya diatur oleh tekanan uap fluida.

Kerja pompa pada siklus rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerja dalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatan untuk campuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus Carnot.

(Poulanka, 2012) Gambar 2. Diagram Temperature EntalphyAir menjadi fluida kerja siklus rankine dan mengalami siklus tertutup (close - loop cycle) artinya secara konstan air pada akhir proses siklus masuk kembali ke proses awal siklus. Pada siklus rankine, air ini mengalami empat proses sesuai dengan gambar diatas, yaitu :1. Proses C-D : Fluida kerja/air dipompa dari tekanan rendah ke tinggi, dan pada proses ini fluida kerja masih berfase cair sehingga pompa tidak membutuhkan input tenaga yang terlalu besari. Proses ini dinamakan kompresi-isentropik karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan entropi yang terjadi.

2. Proses D-F : Air bertekanan tinggi tersebut masuk ke boiler untuk mengalami proses selanjutnya, yaitu dipanaskan secara isobaric (tekanan konstan). Sumber panas didapatkan dari luar seperti pembakaran batu bara, solar, atau juga reaksi nuklir. Di boiler air mengalami perubahan fase daric air, campurain cair dan uap, serta 100% uap kering.

3. Proses F-G : Proses ini terjadi pada turbin uap. Uap air kering dari boiler masuk ke turbin dan mengalami proses ekspansi secara isentropic. Energi yang tersimpan di dalam uap air dikonversi menjadi energi gerak pada turbin.

4. Proses G-C : Uap air yang keluar dari turbin uap masuk ke kondensor dan mengalami kondensasi secara isobaric. Uap air ini diubah fasenya menjadi cair kembali sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus.

(http://onnyapriyahanda.com/siklus-rankine/)

Karena pompa ideal maka seperti beroperasi tanpa irreversibilitas, maka kerja pompa adalah :

= = v3(p4 p3)

(7)

(Wahyudi, 2003)

Gambaran siklus melalui diagram T-S diatas adalah siklus rankine yang paling dasar dan sederhana. Pada penggunaannya ada beberapa modifikasi proses sehingga didapatkan efisiensi termal total yang lebih tinggi. Seperti penggunaan preheater atau pemanasan awal sebelum masuk boiler, dan juga penggunaan pemanasan awal ulang uap air yang keluar dari turbin pertama (high pressure turbine) sehingga dapat digunakan lagi untuk masuk ke turbin kedua (intermediate pressure turbine). Untuk lebih mudah memahaminya, dapat dilihat skema prosesnya pada gambar berikut.

Gambar 3 . Siklus Rankine dengan Preheater dan ReheaterPada gambar diatas, air kondensat yang dipompa oleh pompa ekstraksi kondensat dari kondensor menuju deaerator atau Feed Water tank mengalami proses preheating. Dan air yang dipompa oleh Feed Water Pump dari Feed Water Tank menuju boiler juga melewati preheater. Sumber panas yang digunakan oleh preheater tersebut berasal dari extraction steam yang diambil dari turbin uap pada stage-stage tertentu.

(http://onnyapriyahanda.com)

Gambar . Diagram Temperatur-Entropi Untuk Modifikasi Siklus Rankine

Selain itu perbedaan yang lain dengan siklus rankine konvensional adalah adanya pemanasan kembali uap air yang keluar dari turbin pertama (High Pressure Turbine) oleh boiler reheater untuk kembali mendapatkan fase superheater dan hasilnya kembali dimasukkan ke turbin kedua (Intermediate Pressure Turbine).

Selain itu juga ada sisitem bypass uap air untuk tidak dilewatkan ke turbin uap. Uap superheater yang keluar dari boiler tidak masuk ke turbin dan di-bypass masuk kembali ke boiler sisi reheater dan uap yang keluar dari boiler reheater di-bypass untuk masuk langsung ke kondensor. Fungsi dari sistem bypass ini adalah sebagai sistem proteksi apabila terjadi suatu masalah di siklus rankine tersebut sehingga dapat terhindar dari kerusakan yang parah dan juga digunakan pada saat proses penyalaan awal system siklus tersebut dan juga proses mematikannya.(http://onnyapriyahanda.com)DAFTAR PUSTAKA

Adi Basuki, Cahyo,. Nugroho, Agung,. Winardi, Bambang. 2008. Analisis Konsumsi Bahan Bakar pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap dengan menggunaka Metode Least Square. Semarang : Universitas DiponegoroPoulanka T.P, Regie. 2012. Sistem Organic Rankine Cycle dengan Turbocharger. Depok : Universitas IndonesiaWahyudi, Slamet., Widhiyanuriyaman, D., Nursasonko, Mega. 2003. Bahan Ajar Termodinamika Teknik II. Malang : Universias Brawijaya

http://onnyapriyahanda.com/siklus-rankine/. Diakses pada 25 Desember 2013 pukul 08.00 WIB.