Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah model dasar yang digunakan untuk menjelaskan bagaimana pembangkit listrik tenaga uap mengubah kalor menjadi kerja. Air dipompa dalam bentuk cair, dipanaskan menjadi uap, diekspansikan melalui turbin, lalu dikondensasikan kembali menjadi cair agar siklus dapat berulang.

Hal yang membuat siklus ini praktis adalah perubahan fase. Memompa cairan membutuhkan kerja yang jauh lebih kecil daripada memampatkan gas, sehingga turbin tetap dapat menghasilkan kerja bersih yang berguna setelah dikurangi kerja masukan pompa.

Cara Kerja Siklus Rankine

Di pompa, air cair dimampatkan ke tekanan yang lebih tinggi. Karena fluida di sini masih sebagian besar berupa cairan, pompa biasanya membutuhkan kerja yang jauh lebih kecil daripada yang dapat dihasilkan turbin.

Di boiler, kalor ditambahkan ke cairan bertekanan tinggi sampai berubah menjadi uap, dan sering kali sampai menjadi uap panas lanjut. Ini adalah tahap utama pemasukan kalor.

Di turbin, uap berekspansi dan melakukan kerja pada sudu-sudu turbin. Kerja turbin itu adalah keluaran berguna utama dari siklus.

Di kondensor, kalor dibuang sehingga uap buang kembali menjadi cairan. Tanpa langkah ini, pompa tidak akan menangani fluida dalam keadaan cair seperti yang diinginkan.

Asumsi Siklus Rankine Ideal

Untuk siklus Rankine ideal, asumsi yang umum digunakan adalah:

• pompa dan turbin bersifat isentropik
• penambahan kalor di boiler terjadi pada tekanan konstan
• pembuangan kalor di kondensor terjadi pada tekanan konstan
• penurunan tekanan di pipa dan penukar kalor diabaikan

Asumsi-asumsi itu membuat siklus lebih mudah dianalisis. Pembangkit nyata tidak memenuhi semuanya secara tepat, sehingga kinerja nyata lebih rendah daripada prediksi ideal untuk batas operasi yang sama.

Rumus Efisiensi Siklus Rankine

Hubungan utama yang digunakan adalah

$$\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}} = \frac{W_{turbine} - W_{pump}}{Q_{in}}$$

Di sini $Q_{in}$ adalah kalor yang ditambahkan di boiler, $W_{turbine}$ adalah keluaran kerja turbin, dan $W_{pump}$ adalah masukan kerja pompa. Ini adalah efisiensi termal, jadi nilainya menunjukkan fraksi kalor masuk yang berubah menjadi kerja bersih.

Gunakan rumus itu hanya jika semua besaran energi ditulis pada dasar yang sama, misalnya per kilogram fluida kerja atau per detik untuk seluruh pembangkit.

Contoh Siklus Rankine

Misalkan suatu siklus ideal dianalisis per kilogram fluida kerja dan memberikan nilai pembulatan berikut:

• keluaran kerja turbin: $W_{turbine} = 900\ \mathrm{kJ/kg}$
• masukan kerja pompa: $W_{pump} = 10\ \mathrm{kJ/kg}$
• masukan kalor boiler: $Q_{in} = 3000\ \mathrm{kJ/kg}$

Maka kerja bersihnya adalah

$$W_{net} = 900 - 10 = 890\ \mathrm{kJ/kg}$$

Jadi efisiensi termalnya adalah

$$\eta_{th} = \frac{890}{3000} \approx 0.297$$

atau sekitar $29.7\%$.

Contoh sederhana ini menunjukkan gagasan utamanya:

• kerja turbin yang lebih besar membantu meningkatkan efisiensi
• kerja pompa yang lebih besar mengurangi kerja bersih
• masukan kalor yang lebih besar tidak otomatis berarti efisiensi lebih baik

Yang penting adalah perbandingan antara kerja bersih dan kalor yang disuplai.

Mengapa Kondensor Penting

Siswa sering berfokus pada boiler dan turbin lalu menganggap kondensor hanya detail tambahan. Padahal tidak demikian.

Kondensor memungkinkan siklus mengembalikan fluida ke keadaan cair, yang menjaga kerja pompa tetap relatif kecil dan membuat siklus tertutup menjadi praktis. Kondensor juga menentukan bagian suhu rendah yang penting dalam siklus, yang memengaruhi efisiensi.

Kesalahan Umum

Tertukar antara siklus Rankine dan Carnot

Siklus Carnot adalah tolok ukur teoretis dengan perpindahan kalor isotermal reversibel. Siklus Rankine adalah model daya uap yang lebih praktis dan dibangun di sekitar pompa, boiler, turbin, dan kondensor.

Menganggap efisiensi siklus hanya kerja turbin dibagi kalor boiler

Kerja pompa harus dikurangkan terlebih dahulu. Kerja bersih yang benar adalah $W_{turbine} - W_{pump}$.

Melupakan asumsi ideal

Jika turbin tidak isentropik, penurunan tekanan signifikan, atau keadaan-keadaan fluida tidak sesuai dengan asumsi model, hubungan Rankine ideal tidak akan cocok persis dengan pembangkit nyata.

Mengira setiap siklus Rankine memiliki efisiensi yang sama

Efisiensi bergantung pada tekanan operasi, temperatur, kinerja turbin dan pompa, serta apakah digunakan modifikasi seperti superheating, reheating, atau regenerasi.

Di Mana Siklus Rankine Digunakan

Siklus Rankine adalah model dasar untuk banyak sistem pembangkit berbasis uap. Siklus ini umum digunakan untuk menjelaskan pembangkit berbahan bakar batu bara, siklus uap nuklir, pembangkit surya termal terkonsentrasi, unit panas bumi, dan sistem lain di mana kalor mula-mula menghasilkan uap lalu uap menggerakkan turbin.

Siklus ini juga memberi titik awal yang jelas untuk memahami mengapa insinyur menambahkan superheating, reheating, dan pemanasan air umpan pada rancangan yang lebih maju.

Coba Versi Anda Sendiri

Ubah satu angka saja pada contoh yang sudah dikerjakan dan prediksi pengaruhnya sebelum menghitung. Misalnya, pertahankan $Q_{in}$ tetap sama dan naikkan $W_{turbine}$ menjadi $1000\ \mathrm{kJ/kg}$, atau pertahankan kerja turbin tetap dan lihat apa yang terjadi jika kerja pompa menjadi dua kali lipat. Menyelesaikan kasus serupa dengan angka Anda sendiri adalah cara tercepat untuk membuat siklus ini terasa intuitif.