SIKLUS RANKINE

Pembangkit Tenaga Uap (Steam Power Plant) didasarkan atas Siklus Rankine, yang merupakan modifikasi dari Siklus Carnot (proses 1-2-b-c-1).

Fluida kerja untuk siklus adalah Uap.

Proses 1-2 : proses pemompaan adiabatik reversibel (isentropik) dlm pompa.

Proses 2-b : proses transfer panas pada tekanan tetap di dalam ketel (boiler).

Proses b-c : proses ekspansi adiabatik reversibel di dalam turbine.

Proses c-1 : proses pembuangan panas pada tekanan tetap di dlm kondensor

Kerja pemompaan yang diperlukan persatuan massa fluida kerja :

wp = ( h2 – h1 ) = v (p2 - p1)

Panas yang dimasukkan ke dalam sistem persatuan massa fluida dlm ketel:

qin= ( hb – h2 )

Kerja yang dihasilkan persatuan massa uap air di dalam turbin :

wT = ( hb – hc )

Panas yang dilepaskan dari kondensor :

qout= ( hc – h1 )

Jadi, Effisiensi Termik Siklus, adalah : in

pTth q

ww

)(

)()(

2

12

hh

hhhh

b

cbth

Siklus Rankine ini dimodifikasi adalah untuk meningkatkan

effisiensi atau untuk mencegah terjadinya korosi pada bagian

sudu-turbin yang bertekanan rendah akibat jumlah cairan yang

berlebihan pada akhir proses ekspansi.

* Modifikasi Siklus Rankine ini disebut :

SIKLUS RANKINE DENGAN SUPERHEAT.

seperti terlihat pada gambar/siklus 1-2-3-4.

* Temperatur Kerja yang lebih tinggi diperoleh juga tanpa

menaikkan tekanan maksimum di dalam siklus, yaitu dengan

memanaskan uap lebih lanjut dalam pemanasan lanjut.

* Kombinasi Ketel dengan Superheat (dalam satu pesawat)

disebut : GENERATOR UAP.

)(

)()(

2

12

hh

hhhh

q

qq

b

cb

in

outinth

Maka, Effisiensi Siklus Rankine dengan Suoerheat adalah :

Kerja Pompa persatuan massa fluida kerja :

wp = ( h2 – h1 ) = v (p2 - p1)

Panas masuk Ketel persatuan massa fluida kerja :

qin= ( h3 – h2 )

Kerja Turbin persatuan massa uap air :

wT = ( h3 – h4 )

Panas yang dilepaskan kondensor :

qout= ( h4 – h1 )

)(

)()(

23

1423

hh

hhhh

q

qq

in

outinth

Parameter lain untuk mengukur kinerja Pembangkit Tenaga-Uap adalah rasio kerja balik (back work ratio) atau bwr. Di definisi kan sebagai rasio masukan kerja pompa terhadap kerja yang dihasilkan oleh Turbin, sebagai berikut :

)(

)(

43

12

hh

hh

w

wbwr

outT

inp

Cara Peningkatan Effisiensi Siklus Rankine

CONTOH SOAL - 1.Perhatikan siklus Rankine seperti pada gambar. Uap masuk

Turbin sebagai uap saturasi 100% pada 6 MPa dan cair saturasi

masuk pompa pada tekanan 0,01 MPa. Jika net power output

siklus adalah 50 MW. Hitunglah :

a. Efficiency Termal.

b. Laju aliran massa sistem.

c. Rate of heat transfer into the Boiler.

d. Laju aliran massa air pendingin dari

Kondensor, (kg/s.), jika air pendingin

yang masuk 20 C dan keluar pada 40 C.

CONTOH SOAL - 2.Sebuah steam power plant beroperasi pada siklus

Rankine ideal. Uap masuk turbin pada 3 MPa. dan 350 C

dan tekanan kondenser adalah 75 kPa. Lihat gambar.

Gambar T-s diagram, dan Hitung effisiensi termal siklus.

CONTOH SOAL - 3.Sebuah Steam Power Plant beroperasi pada siklus

Rankine Ideal. Uap panas lanjut mengalir masuk Turbin

pada 3 MPa dan 400 C., dengan laju aliran 100 kg/det.,

dan keluar Kondensor pada 50 C sebagai cair jenuh.

Hitung :

a. Net Power Output

b. Effisiensi Termal

c. Kualitas Uap Keluar

Turbin.

d. Jika fluida kerja masuk

ondenser sebagai uap-

jenuh, hitung kerja Turbin.

PENYIMPANGAN SIKLUS IDEAL

Penyimpangan Siklus Ideal dengan siklus sebenarnya (non-

Isentropik), adalah :

Adanya gesekan fluida kerja dengan sudu-sudu turbin,

turbulensi dan kecepatan residu pada proses ekspansi di dalam turbin yang berlangsung secara non isentropik.

Kerugian-kerugian pada pipa dan kerugian panas lingkung-an, dan lain-lain yang mempengaruhi effisiensi.

Dari diagram T-s dan diagram h-s dapat digambarkan sbb.

Kerja Turbin Ideal (Isentropik) : wT = ( h3 – h4 )Kerja Turbin aktual (non Isentropik) : wTa = ( h3 – h4a )

Maka Effisiensi Turbin :

isentropikekspansiprosespdKerja

aktualekspansiprosespdKerjaT

Atau,

Untuk Pompa :

)(

)(

43

43

hh

hh

w

w a

idealT

aktualTT

)(

)(

12

12

hh

hh

w

w

aaktualp

idealpp

Contoh soal :

Diketahui Siklus Rankine beroperasi diantara tekanan 30 kPa dan 6 MPa. Temperatur uap masuk Turbin 5500C, jika effisiensi isentropik pompa 75 % dan effisiensi isentropik turbin 85 %.

Hitunglah Effisiensi Thermal siklus ini.

SIKLUS RANKINE dengan REHEAT.Siklus Rankine dengan superheat kemudian dimodifikasiyaitu Siklus Rankine dengan Reheat dengan tujuanuntuk memperbaiki kinerja pembangkit tenaga uap atauuntuk meningkatkan effisiensi siklus. Maksud Reheat ialah: Setelah uap berekspansi dlm.

TurbinTek.Tinggi, uap di-tarik dan dipanaskan

kembali(reheat)

ke Superheat, dan seterusnya

uap masuk kembali ke Turbin Tekanan Rendah.

Reheat (pengulangan-panas) terjadi pada tekanan konstan

dan menaikkan temperatur uap

ke T5 (biasa sama dengan T3).

Analisis Energi : Pindahan Panas & Kerja out-put berubah kedua-duanya.

Dimana :qin = q23 + q45 = (h3 – h2) + (h5 – h4)

wout= wturbin= w34 + w56= (h3 – h4)+(h5 – h6)

qout= qkond.= (h6 – h1).

win = wpompa= (h2 – h1).

Maka Effisiensi Siklus Rankine dengan Reheat :

reheatin

pompaturbin

in

netsiklus qq

ww

q

w

)()(

)h-(h -)h– (h)h– (h

4523

126543

hhhh

Contoh Soal 1:

Dalam Siklus Rankine dengan Reheat, uap pada 8 MPa dan 350ºC masuk pada turbin-tek.-tinggi. Setelah berekspansi ke 1,4 MPa, uap tersebut di ulang panaskan pada tekanan konstan ke 350ºC sebelum berekspansi dalam turbin tekanan-rendah.Tentukanlah : a. Keluaran kerja untuk turbin tekanan-tinggi dan turbin tekanan-rendah.b. Effisiensi Termal Siklus ini.

Contoh Soal 2 :

SIKLUS RANKINE DENGAN REGENERASI

+ Kalor dapat dipindahkan dan dimanfaatkan dari fluida kerja

pada satu bagian siklus ke fluida kerja pada bagian lain dari

siklus yang sama.

+ Pindahan kalor dalam siklus daya ini disebut “Regenerasi”,

maksudnya untuk mengurangi irreversibilitas yang disebab-

kan pencampuran kondensat yang dingin dengan uap jenuh

dalam ketel (prepemanasan pada air pengisian ketel).

+ Regenerasi dapat ditambahkan pada siklus Rankine ideal

untuk meningkatkan Effisiensi Siklus.

(dengan menambahkan Feed Water Heater atau FWH).

5

Siklus Rankine dengan Regenerasi Ideal

A. Menggunakan Open FWH.

Energi yang dihasilkan dalam satu satuan massa adalah :

. Panas yang diserap Ketel : qk = ( h5 – h4 )

. Kerja yang dilakukan Turbin : wT = ( h5 – h6 ) + ( 1-y )( h6 – h7 )

. Panas yang dibuang Condensor : qc = ( 1-y )( h7 – h1)

. Kerja pada Pompa : wp = ( h4 – h3 ) + ( 1-y )( h2 – h1 )

Effisiensi Siklus :

dimana, ( Fraction of Steam Extracted).

atau, kesetimbangan laju massa dan energi pada kondisi steady

menghasilkan: titik-3 = titik-6 + titik-2 ==> h3 = y h6 + (1-y) h2

(lihat gambar).

dan kerja tiap pompa : wpI = v1 (p2 – p1)

wpII = v3 (p4 – p3)

)(

))(1()(

45

1745

hh

hhyhh

q

qq

k

ckth

5

6

m

my

26

23

hh

hhy

B. Menggunakan Closed FWH

Contoh Soal :

Gambar Contoh Soal :