siklus rankine fix.docx

Download Siklus Rankine fix.docx

Post on 16-Oct-2015

363 views

Category:

Documents

17 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Siklus RankineSiklus 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 oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30 oC. 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.Proses siklus RankineTerdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud). Proses 1: Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi. Proses 2: Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh. Proses 3: Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi. Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.Dalam siklus Rankine ideal, pompa dan turbin adalah isentropic, yang berarti pompa dan turbin tidak menghasilkan entropi dan memaksimalkan output kerja. 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 regeneratifKonsepnya 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 temperatur. Hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.Siklus Rankine OrganikSiklus 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 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.Skema Siklus RankineSiklus Rankine merupakan siklus tenaga uap paling sederhana yang merupakan modifikasi dari siklus Carnot, di mana proses pemanasan dan pendinginan pada siklus ini terjadi pada tekanan yang tetap. Siklus Rankine ideal digambarkan sebagai berikut (Li dan Triddy, 1985) :Gambar 1. Siklus rankine.Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri dari 4 tahapan proses yang diterangkan sebagai berikut :1-2:Merupakan proses kompresi isentropik dalam kompressor, kondisi 1 adalah udara atmosfer. Temperatur udara hasil kompresi T2 dapat diketahui dari persamaan :

rp = rasio tekanan = Perbandingan panas spesifik pada tekanan konstan dan panas spesifik pada volume konstan, untuk udara

2-3:Proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang bakar. Panas yang ditambahkan dalam ruang bakar adalah :

3-4:Proses ekspansi isentropik dalam turbin. Temperatur gas keluaran dihitung melalui persamaan :

4-1:Merupakan proses pelepasan kalor (heat rejection) ke lingkungan pada tekanan konstan. Hal ini dapat dihitung melalui persamaan :

Berikut adalah lay-out fisik dari siklus Rankine :

Gambar 2. Lay out khusus Siklus Rankine.Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik melalui sedikit pengurangan dari volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1 2 pada diagram T s diatas biasanya dilebihkan untuk menjaga agar proses lebih aman. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada temperatur yang tetap.Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan uap ini disebut sebagai generator uap. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P dan T dari uap akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana uap akan masuk kondensor dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Uap ini akan dicairkan pada P konstan didalam kondensor dan akan meninggalkan kondensor sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.Sehingga data dibawah kurva proses pada diagram T s menunjukkan transfer panas untuk proses reversibel internal. Area dibawah kurva proses 2 3 menunjukkan panas yang ditransfer ke boiler, dan area dibawah kurva proses 4 1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondensor. Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk siklus tenaga uap. Beberapa kesulitan pada siklus Carnot dapat diatasi dengan memanaskan steam di reboiler sampai mencapai kondisi superheated dan mengkondensasikannya secara keseluruhan dikondenser. Hal ini bisa dilihat pada gambar berikut ini :

Siklus Rankine Sederhana Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri dari 4 tahapan proses : 1 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa. 2 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan. 3 4 Ekspansi isentropik kedalam turbin. 4 1 Pelepasan panas didalam kondenser pada P = konstanSiklus Rankine ideal terdiri dari proses kompresi isentropik pada pompa, penambahan kalor pada tekanan konstan di boiler/ketel, ekspansi isentropik pada turbin, dan pelepasan kalor pada tekanan tetap di kondensor. Skema sistemnya adalah seperti berikut ini:

Sedangkan pernyataan prosesnya pada diagram T-s adalah,

Air masuk pompa pada tingkat keadaan 1 sebagai cairan jenuh kemudian dikompresi secara isentropik sampai tekanan operasi boiler/ketel pada tingkat keadaan 2. Kenaikan temperatur air selama kompresi isentropik seiring penurunan volume spesifik air tersebut. Air masuk boiler sebagai cairan terkompresi (sub-cooled) pada kondisi 2 kemudian mengalami perubahan fasa sampai menjadi uap supe-heat (steam-generator) pada tingkat keadaan 3. Boiler pada dasarnya adalah alat penukar kalor di mana penambahan kalor berasal dari pembakaran gas, reaktor nuklir, atau pun sumber kalor lainnya.Uap super-heat (panas-lanjut) pada kondisi 3 ini kemudian masuk ke turbin, di mana uap mengalami ekspansi secara isentropik dan menghasilkan kerja untuk memutarkan poros yang umumnya terhubung dengan generator listrik (genset). Tekanan dan temperatur uap/steam turun selama proses tersebut sampai pada tingkat keadaan 4, di mana uap/steam masuk ke kondensor. Pada kondisi 4 ini, biasanya uap/steam berada pada kondisi fasa campuran uap-cairan jenuh dengan kualitas uap yang tinggi. Kondensor pada dasarnya adalah alat penukar kalor di mana kalor dibuang ke medium dingin seperti sungai, danau, atau pun ke udara lingkungan sekitar. Uap meninggalkan kondensor sebagai cairan jenuh yang kemudian masuk pompa untuk melengkapi proses.Perlu diperhatikan di sini bahwa area di bawah kurva proses pada diagram T-s adalah perpindahan kalor sebagai proses reversibel internal. Sehingga area di bawah proses 2-3 adalah kalor yang ditambahkan ke fluida kerja (dalam hal ini air), sedangkan area di bawah kurva untuk proses 4-1 adalah kalor yang dibuang oleh fluida kerja pada kondensor. Selisih antara keduanya adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus. Agar