Pengertian Siklus Rankine
Siklus Rankine adalah siklus termodinamikayang mengubah panasmenjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanyamenggunakan airsebagai fluida yang bergerak. 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 Rankineadalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.
Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagaisiklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus inimenggunakan fluida yang bertekanan, bukangas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin padatemperatur 565oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%,namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar42%.
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.Sistem siklus Rankine terdiri atas empat komponen, yaitu:
1. Pompa
2. Boiler
3. Turbin
4. Condenser
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 airselama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin,menyebabkan erosidan 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 duaturbin 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 efisiensiturbin.
Siklus Rankine regeneratif
Konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yangmembedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenserakan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua.Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperature, hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.
Siklus Rankine Organik
Siklus Rankine Organik menggunakan fluida organik seperti n-pentanaatautoluena menggantikan air dan uap. Penggunaan kedua jenis fluida tersebut akan mengurangi suplai panas yang dibutuhkan karena rendahnya titik didih dari kedua jenis fluida tersebut sehingga energi matahari sudah cukup untuk mengubah fase fluida tersebut. Meski efisiensi Carnot akan berkurang, namun pengumpulan panas yang dilakukan pada temperatur rendah akan mengurangi banyak biayaoperasional.Siklus Rankine sesungguhnya tidak membatasi fluida jenis apa yangdigunakan karena pada dasarnya siklus Rankine adalah mesin kalor sehingga efisiensinya dihitung berdasarkan efisiensi Carnot. Konsepnya tidak boleh dipisahkan dengan siklus termodinamika
2. Proses Siklus Rankine
Siklus Rankine merupakan siklus ideal untuk siklus tenaga uap. Sepertihalnya pada siklus Brayton, pada siklus Rankine juga terdapat proses kompresiisentropik, penambahan panas isobarik, ekspansi isentropik, dan pelepasan panasisobarik. Perbedaan antar keduanya terletak pada 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 dansenyawa karbon aromatik. Merkuri juga pernah digunakan sebagai fluida kerjasiklus Rankine, hanya saja harganya sangat mahal dan berbahaya
 |
| Gambar 2.1. Skema Peralatan pada Siklus Rankine |
Proses 1-2 : Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanantinggi. Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanyamembutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan.
Proses 2-3 : Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air berubah fase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung padatekanan konstan.
Proses 3-4: Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunantemperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhirkondensasi titik air mulai terjadi.
Proses 4-1: Uap basah memasuki kondenser dan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair. Air dipompakan kembali (Proses 1-2)
Besarnya kerja yang dibutuhkan pompa, panas yang diberikan boiler,kerja yang dihasilkan turbin dan panas yang dibuang pada Kondenser dapatdiperhitungkan dengan bantuan tabel Enthalpy-entropy air-uap air.
 |
| Gambar 2.2 Contoh T-s diagram Siklus Rankine |
SIKLUS RANKIE IDEAL
Jika fluida kerja mengalir melalui berbagai komponen dari sebuah siklustenaga uap sederhana tanpa ireversibilitas, penurunan tekanan secara fraksionaltidak akan terjadi pada boiler dan Kondenser, fluida kerja mengalir melaluikomponen komponen ini pada tekanan konstan. Selain itu dengan tidak adanyaireversibilitas dan perpindahan kalor dengan lingkungan sekitar, proses yangterjadi melalui turbin dan pompa adalah isentropic (s=konstan), maka siklus inidisebut siklus Rankine ideal. Mengacu pada gambar dibawah ini , terlihat fluidakerja melewati urutan proses yang reversible secara internal sebagai berikut:
 |
| Gambar 2.3. Diagram temperatur-entropi untuk siklus Rankine ideal |
proses 1-2 : Ekspansi isentropik (s = konstan) dari fluida kerja melalui turbin danuap jenuh pada kondisi 1 hingga mencapai tekanan kondenser.
proses 2-3 : Perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanankonstan melalui kondenser dengan cairan jenuh pada kondisi 3.
proses 3-4 : Kompresi isentropic (s=konstan) dalam pompa menuju ke kondisi 4dalam daerah hasil kompresi.
proses 4-5 : Perpindahan kalor ke fluida kerja ketika mengalir pada tekanankonstan melalui boiler untuk menyelesaikan siklus
Sumber : Novianty Sukma Jaya