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 menggunakan fluida organik seperti n-pentana atau toluene menggantikan air dan uap. Penggunaan kedua jenis fluida tersebut akan mengurangi suplai panas yang dibutuhkan karena rendahnya titik didih dari kedua jenis fluida tersebut sehinggaenergi matahari sudah cukup untuk mengubah fase fluida tersebut. Meski efisiensi Carnot akan berkurang, namun pengumpulan panas yang dilakukan pada temperatur rendah akan mengurangi banyak biaya operasional.

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.

Siklus Rankine Ideal Sederhana

Siklus Rankine ideal sederhana terdiri dari :

1.      Boiler sebagai alat pembangkit uap

2.      Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja

3.      Kondensor sebagai alat pengembun uap

4.      Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler

Skema siklus Rankine ideal sederhana dapat dilihat pada gambar 5 berikut ini.

Gambar 5 skema siklus Rankine ideal sederhana

Skema pada gambar 5 dapat digambarkan garis kerjanya pada diagram T-s seperti pada gambar 6 berikut ini.

Proses 2 – 3 adalah proses ekspansi isentropis (adiabatis reversibel) yang berlangsung di dalam turbin uap. Pada proses ini terjadi kerja keluar sistem (W_out)

Proses 3 – 4 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini kalor keluar dari sistem (pembuang kalor) (Q_out).

Proses 4 – 1 adalah proses penekanan secara isentropis oleh pompa. Pada proses ini kerja masuk ke dalam sistem (W_in).

Pada siklus Rankine ideal sederhana. Air dipompa oleh pompa pengisi boiler ke dalam boiler. Pompa yang bertugas untuk memompakan air ke dalam boiler disebut feed water pump. Pompa ini harus dapat menekan air ke boiler dengan tekanan yang cukup tinggi (sesuai dengan tekanan kerja siklus). Secara ideal pompa bekerja menurut proses isentropis (adiabatis reversibel) dan secara aktual pompa bekerja menurut proses adiabatis irreversibel.

Di dalam boiler, air yang bertekanan tinggi dipanaskan hingga menjadi uap panas lanjut, prosesnya adalah sebagai berikut:

1.      Ekonomiser, air pertama-tama masuk ke ekonomiser. Ekonomier berfungsi sebagai pemanas awal. Sesuai namanya alat ini berfungsi untuk meningkatkan efisiensi boiler dengan cara menggunakan panas sisa gas buang untuk memanaskan awal air yang masuk ke boiler.

2.      Evaporator, dari ekonomiser, air masuk ke drum penampung air di evaporator. Di dalam evaporator air dipanaskan melalui pipa-pipa evaporasi hingga berubah menjadi uap. Uap air yang keluar dari evaporator adalah uap jenuh.

3.      Superheater, selanjutnya uap jenuh dari evaporator masuk ke superheater. Superheater adalah alat penukar kalor yang dirancang khusus untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap panas lanjut dengan menggunakan gas panas hasil pembakaran. Uap panas lanjut yang keluar dari superheater siap digunakan untuk memutar turbin uap.

Uap panas lanjut dari boiler kemudian dialirkan ke turbin uap melalui pipa – pipa uap. Di dalam turbin uap , uap panas lanjut diekspansikan dan digunakan untuk memutar rotor turbin uap. Proses ekspansi di dalam turbin uap berlangsung melalui beberapa tahap yaitu :

1. Proses ekspansi awal di dalam turbin tekanan tinggi (roda Curtis)

Uap panas lanjut yang bertekanan tinggi diekspansikan di nosel dan kemudian digunakan untuk memutar roda Curtis. Roda Curtis adalah turbin uap jenis turbin implus. Pada roda Curtis terjadi penurunan tekanan yang signifikan.

2. Proses ekspansi pada turbin tingkat menengah.

Turbin tingkat menengah menggunakan turbin jenis reaksi dan tersusun atas beberapa tingkat turbin.

3. Proses ekspansi tingkat akhir.

Pada tingkat akhir ini uap terus diekspansikan hingga tekanan sangat rendah (biasanya dibawah tekanan atmosfir ) dengan bantuan kondensor.

Putaran poros yang dihasilkan dari proses ekspansi uap panas lanjut di dalam turbin digunakan untuk memutar beban. Beban dapat berupa generator listrik seperti di PLTU atau propeler (baling-baling) untuk menggerak kapal.

Uap tekanan rendah dari turbin uap mengalir ke kondensor. Di dalam kondensor, uap didinginkan dengan media pendingin air hingga berubah fase menjadi air. Kemudian air ditampung di dalam tangki dan dipisahkan dari gas-gas yang tersisa dan siap untuk dipompa ke dalam boiler oleh pompa pengisi boiler. Proses ini terus berlanjut dan berulang membentuk sebuah siklus yang disebut siklus Rankine. Pada siklus Rankine ideal, Ke 4 alat dianggap bekerja pada kondisi Steady flow.

Siklus Pemanasan Ulang Peningkatan efisiensi dapat pula dicapai dengan mempergunakan proses pemanasan ulang. Turbin uap tebagi dua bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan bagian Tekanan Rendah (TR). Uap yang telah dipakai pada taraf pertama meninggalkan bagian TT pada titik 3 dan dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang, kemudian dimasukkan kembali ke turbin pada titik 4 dan dipakai oleh bagian TR turbin uap tersebut. Luas 1-2-3-4-5-6 dari gambar 2.3b yang “mewakili” jumlah energi yang dimanfaatkan, dengan demikian menjadi lebih besar, dan daya guna atau efisiensi termal dari pusat tenaga listrik menjadi lebih besar pula. Untuk mesin-mesin yang lebih besar, pemanasan ulang dapat dilakukan hingga dua kali, dan turbin uap terbagi atas tiga bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT), Tekanan Menengah (TM), dan Tekanan Rendah (TR). Keuntungan dari pemanasan kembali adalah untuk menghindari terjadinya korosi dan pengikisan, peningkatan kualiltas uap, peningkatan efisiensi sudu dan nosel, efisiensi panas, dan daya keluaran. Tetapi biaya yang diperlukan untuk pemanasan kembali lebih besar dibandingkan dengan keuntungan yang didapat dari peningkatan efisiensi panas, disamping itu pemeliharaan menjadi lebih banyak.