Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah salah satu jenis siklus termodinamika ideal yang digunakan untuk mendeskripsikan mesin kalor (memanfaatkan perubahan panas menjadi kerja). Energi panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air yang dipanaskan didalam ketel boiler sehingga menghasilkan uap dalam tekanan tinggi yang digunakan untuk memutar turbin. Setelah melalui turbin, uap air dikondensasikan kembali menjadi air dalam bentuk cair (dengan membuang panas yang tersisa) lalu dikembalikan kedalam boiler, menyelesaikan siklus ini. Friksi dalam sistem ini diabaikan untuk membuat kalkulasi lebih mudah dan energi yang hilang lebih kecil dibandingkan dengan energi yang hilang akibat proses termodinamik.

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 teoretis sebesar 63%, tetapi 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, tetapi air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.

Proses siklus Rankine

Terdapat 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 regeneratif: Konsepnya 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 Organik

Siklus Rankine Organik menggunakan fluida senyawa organik seperti n-pentana atau toluena menggantikan air. Penggunaan kedua jenis fluida tersebut akan mengurangi suplai panas yang dibutuhkan karena rendahnya titik didih dari fluida tersebut dan memiliki volatilitas tinggi sehingga sudah cukup untuk mengubah fase fluida tersebut menjadi gas yang dimanfaatkan untuk memutar turbin. Meski efisiensi Carnot akan berkurang, tetapi pengumpulan panas yang dilakukan pada temperatur rendah akan mengurangi banyak biaya operasional.

Sistem ideal adalah sistem dimana ekspansi volume merupakan proses isentropik (adiabatik dan bisa dikembalikan reversible). Sedangkan selama evaporasi maupun kondensasi merupakan proses isobarik. Akan tetapi sistem pada dunia nyata pasti memiliki beberapa yang tidak bisah diubah kembali irreversible yang menurunkan efesiensi, seperti:

Dalam ekspansi volume karena hanya sedikit kerja yang didapat dari perubahan tekanan. Selain itu energi diubah menjadi panas dan hilang.
Di dalam Penukar panas: fluid sekunder disalurakan dengan saluran yang panjang dan memutar-mutar sehingga banyaknya kontak dengan air yang panas, akan tetapi tekanan fluida akan menurun sehingga energi yang diambil berkurang pula.

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.

Referensi

Canada, Scott; G. Cohen, R. Cable, D. Brosseau, and H. Price. Parabolic Trough Organic Rankine Cycle Solar Power Plant. 2004. DOE Solar Energy Technologies Denver, Colorado: US Department of Energy NREL

Pranala luar