MAKALAH

SIKLUS RANKINE

Disusun Oleh :

Nama :Ferino Galang Suryatmoro

NIM :141.33.1038

Jurusan :D3 Teknik Mesin

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND

YOGYAKARTA

2015/2016

A. Pengertian 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 pad 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.

B. Komponen Siklus Rankine

Gambar 1. Sistem Siklus Rankine

Sistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu:

1. Pump

2. Boiler

3. Turbine

4. Condenser

Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk

boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur

kemudian didalam boiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses

pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya.

Uap yang sudah dipanaskan di boiler kemudian masuk turbin. Fulida kerja

mengalami ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. Selama proses ekspansi

pada turbin terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada

sudu-sudu menghasilkan putaran poros turbin. Uap yang keluar dari turbin kemudian

dikondensasi pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun.

Kemudian siklus berulang lagi.

Cairan yang meninggalkan kondensor pada 1 dipompa dari tekanan londensor ke

tekanan boiler maka kesetimbangan massa dan energi:

W p

m=h2−h1 (1)

Dimana W p

m adalah laju daya input per unit massa melewati pompa.

Fluida kerja suatu siklus seperti air meninggalkan pompa pada 2 disebut boiler

feedwater dipanaskan sampai saturasi dan diuapkan di dalam boiler. Dari keadaan 2

sampai 3, kesetimbangan lju massa dan energi:

Q¿

m=h3−h2 (2)

Dimana Q¿

m adalah laju heat transfer dari sumber energi ke fluida kerja per unit massa

melalui boiler.

Pada Gambar 1, uap dari boiler pada keadaan 3 mempunyai kenaikan temperatur,

berekspansi melalui turbin menghasilkan kerja dan kemudian dikeluarkan ke

kondensor pada keadaan 4 dengan tekanan rendah. Heat transfer dengan lingkungan

diabaikan , laju kesetimbangan massa dan energi untuk control volume sekitar turbin

pada steady staete memberikan:

0= ˙QCV−W t+m [h3−h4+V 1

2−V 22

2+g(z3− z4)] (3)

Atau: W t

m=h3−h4 (4)

Dimana m menunjukkan laju aliran massa fluida kerja dan W t

m adalah laju kerja yang

dibangkitkan per unit massa uap melalui turbin.

Pada kondensor disini heat transfer dari uap ke air pendingin mengalir dalam

aliran separasi. Uap kondensasi dan temperatur air pendingin meningkat. Pada steady

state, kesetimbangan massa dan energi untuk control volume:

˙Qout

m=h4−h1 (5)

Dimana ˙Qout

m adalah laju energi yang ditransfer oleh panas dari fluida kerja ke air

pendingin per unit massa fluida kerja melalui kondensor.

C. Proses Siklus Rankine

Gambar 2. Diagram T-s siklus Rankine

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 ke dalam turbin.

• 4 – 1 Pelepasan panas di dalam kondenser pada P = konstan.

Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai

tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik

ini melalui sedikit pengurangan dari volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1 – 2

pada T – s diagram ini biasanya

dilebihkan untuk lebih amannya proses. 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 T tetap. Boiler dan seluruh bagian

yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator. 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 steam akan turun selama proses ini

menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa

uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan didalam kondenser dan akan

meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk

melengkapi siklus ini. Ingat bahwa 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 kondenser. Perbedaan dari kedua

aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.

D. Siklus Rankine Ideal Dan Aktual

Jika fluida kerja melewati bermacam-macam komponen dari siklus daya uap

sederhana tanpa irreversibilitas, gesekan pressure drop dari boiler dan kondenor dan

fluida kerja akan mengalir melalui komponen pada tekanan konstan, juga tidak ada

reversibilitas dan heat transfer dengan lingkungan, proses melalui turbin dan pompa

akan isentropis, sehingga suatu siklus menjadi ideal (siklus Rankine ideal).

Gambar 3. Diagram temperatur – entropi siklus Rankine ideal

Pada kenyataannya terdapat penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi

karena:

1. 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.

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 perlatan seperti boiler, kondensor dan di

pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan jatuh yang besar pada

boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa 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 tidak bisa diremehkan, biasanya terjadi didalam turbin. Karena sebab-

sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.

Gambar 4. Diagram T-s siklus Rankine ideal dan aktual

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 seperti pada grafik dibawah ini:

Gambar 5. Diagram T-s siklus rankine actual

Efisiensi pompa dan turbin yang mengalami irreversibilitas dapat dihitung dengan:

Dimana:

2a & 4a menyatakan keadaan yang sebenarnya pada turbin dan pompa

2a & 4s menyatakan keadaan isentropik.

E. Analisa Energi dan Efisiensi Pada Siklus Rankine

Analisis energi ini dilihat dari tiap komponen (alat-alat) yang terdapat pada siklus

Rankine dengan menggunakan asumsi bahwa komponen-komponen tersebut bekerja

pada aliran steady. Persamaan energi untuk sistem yang alirannya steady yaitu:

ΔE = m(h+Ep+Ek)i – m(h+Ek+Ep)e + Q – W

0 = hi – he + Q – W

Q - W = he – hi

Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis:

Pompa (Q = 0) Wpompa,in = h2 – h1

Boiler (W = 0) Qin = h3 – h2

Turbin (Q = 0) Wturb,out = h3 – h4

Condenser (W = 0) Qout = h4 – h1

Berdasarkan hal diatas diperoleh Wnet yaitu :

Wnet = Qin – Qout = Wturb,out – Wpompa,in

Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis :

η= W net

Q¿=1−

Q out

Q¿

F. Parameter desain

Untuk membuat sistem siklus Rankine dengan efisiensi termal yang baik serta

untuk menghindari penyimpangan siklus lain, dalam mendesain sistem siklus

Renkine harus memperhatikan parameter-parameter berikut:

1. Tekanan Minimum Kondensor

Dengan menurunkan tekanan minimum akan meningkatkan efisiensi termal dan kerja

spesifik dari siklus, tetapi akan meningkatkan kelembaban pada keluaran turbin,

menimbulkan kebocoran udara, menurunkan efisiensi turbin dan mengerosi turbin.

Batasan tekanan yang dibuat yaitu P < Psat.

2. Temperatur Maksimum Steam

Dengan menaikkan temperatur superheated steam akan meningkatkan kerja spesifik,

dan menurunkan kelembaban dalam steam pada keluaran turbin. Batasan dari

temperatur steam adalah T > 6200⁰C.

3. Tekanan Maksimum Boiler

Dengan meningkatkan tekanan maksimum akan meningkatkan kerja spesifik jika

temperatur maksimum boiler juga dipelihara, tapi akan meningkatkan kelembaban

dalam keluaran turbin. Solusi dari masalah tersebut adalah dengan pemanasan

kembali.

Daftar Pustaka

Culp, Archie W. 1987. Principles of Energy Conversion. McGraw-Hill, Inc:

Singapore

http://mesin.ub.ac.id/diktat_ajar/data/03_a_termo2.pdf

http://repository.ui.ac.id/contents/koleksi/

11/0690b1520a531271082a51f1fe0f1757984802cb.pdf

http://www.scribd.com/doc/50624255/buku-ajar-mesin-konversi-energi