SIKLUS PADA BOILER

 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 Rankine merupakan model operasi dari 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.  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.

 

Prinsip Kerja dari Sistem Siklus Rankine :

Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur kemudian di dalam 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. Fluida 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.

SIKLUS RANKINE PADA BOILER

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 kondensor 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 di dalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.

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.

 

Persamaan 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 = h_i – h_e + Q – W                                                                                                     

Q - W = h_e – h_i                                                                                                                                                

Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis:

• Pompa (Q = 0) à W_pompa,in = h₂ – h₁

• Boiler (W = 0) à Q_in = h₃ – h₂

• Turbin (Q = 0) àW_turb,out = h₃ – h₄

•  Condenser (W = 0) à Q_out = h₄ – h₁

Berdasarkan hal diatas diperoleh W_net yaitu :

W_net = Q_in – Q_out = W_turb,out – W_pompa,in                                                             

Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis :

                                                                            

Penyimpangan Siklus Rankine serta Solusi Penyelesaiannya

Penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena:

1.      Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di boiler dan kondensor 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 ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan turbin menghasilkan kerja