Cara Meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine

Secara ideal Efisiensi Thermal dari Siklus Rankine berkisar di angka 42%. Ada beberapa cara untuk meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine dengan memodifikasi siklusnya.

Reheater
Cara pertama adalah dengan menggunakan Reheater. Menggunakan dua Turbin Uap (High Pressure dan Low Pressure) yang keduanya berada pada satu poros. Uap air yang keluar dari Turbin High Pressure masuk kembali ke Boiler untuk dipanaskan kembali menjadi uap Superheated. Setelah itu uap air tersebut kembali masuk ke Turbin Uap Low Pressure. Dari Turbin Kedua ini uap air masuk ke Condenser. PLTU modern sudah banyak menggunakan tiga atau bahkan 4 Turbin Uap, yaitu High Pressure Turbine, Intermediate Pressure Turbine, dan Low Pressure Turbine. Uap air Reheater masuk kembali ke Intermediate Pressure Turbine, selanjutnya tanpa mengalami Reheater lagi uap air yang keluar dari Intermediate Pressure Turbine masuk ke Low Pressure Turbine.

Gambar 1. Siklus Rankine Dengan Reheater

Dari modifikasi ini dapat kita tambahkan dalam hitungan Efisiensi Thermal siklus energi panas masuk pada saat Reheater (Q in Reheater) serta output kerja pada Low Pressure Turbine (W LPT out). Sehingga nilai kalor total yang masuk ke fluida kerja adalah:

Q total = Q in boiler + Q in reheater
Q total = m.(h3 – h1) + m.(h5 – h4)

Sedangkan nilai kerja output keluar total adalah:

W out total = W HPT out + W LPT out
W out total = m.(h3 – h4) + m.(h5 – h6)

Penambahan penggunaan satu tahap Reheater akan meningkatkan Efisiensi Thermal Siklus Rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap Reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap Reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu tahap Reheater saja.

Preheater atau Regenerative

Cara meningkatkan Efisiensi Siklus Rankine yang kedua adalah dengan menggunakan Preheater atau pemanasan awal dari fluida kerja sebelum masuk ke Boiler. Cara ini disebut dengan Regenerative Rankine Cycle.

Sumber panas yang digunakan untuk Preheater berasal dari uap air yang diambil dari Turbine Uap pada stage tertentu (Extraction Steam). Uap panas ini dialirkan melewati pipa menuju ke Heat Exchanger dan bertemu dengan air kondensat atau Feed Water. Air kondensat yang keluar dari Condenser dipompa oleh pompa ekstraksi kondensat menuju Heat Exchanger tersebut.

Ada dua macam proses perpindahan panas yang terjadi, yang otomatis ada dua jenis juga Heat Exchanger yang biasa digunakan. Yang pertama adalah tipe Open Feed Water Heater, yang mana tipe ini bersifat terbuka, perpindahan panas secara konveksi, Extraction Steam akan bertemu dan bercampur langsung dengan fluida kerja di sebuah wadah tertentu. Kelemahan sistem ini adalah tidak dapat digunakan apabila antara Extraction Steam dengan fluida kerja terdapat perbedaan tekanan yang terlalu besar, tetapi memiliki kelebihan dalam sisi ekonomis dan perpindahan panas yang maksimal karena kedua media bertemu secara langsung.

Gambar 2. Heat Exchanger Siklus Rankine Type Regenerative Open Feed Water Heater

Gambar 3. Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater

Gambar 4. Diagram T-S Siklus Rankine dengan Regenerative Open Feed Water Heater

Massa aliran fluida pada setiap komponen menjadi berbeda karena adanya extraction steam. Apabila 1 kg uap air masuk ke Turbin, dan y kg menjadi Extraction Steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke Boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:

Jika q = Q / m ; maka:

Heat Input:
q in = h5 – h4

Heat Output:
q out = (1 – y).(h7 – h1)

Work Output:
W turbin out = (h5 – h6) + (1 – y).(h6 – h7)

Work Input:
W pump in = (1 – y)(h2 – h1) + (h4 – h3)

Tipe yang kedua adalah tipe tertutup (Close Feed Water Heater), yang mana di dalamnya terjadi perpindahan panas secara konduksi, uap air pada sisi Shell dan fluida kerja di sisi pipa. Tipe ini dapat digunakan apabila kedua media dalam kondisi perbedaan tekanan yang besar, namun kelemahannya adalah harga yang lebih mahal serta perpindahan panas yang lebih kecil karena kedua media tidak bertemu secara langsung. 

Gambar 5. Heat Exchanger Siklus Rankine Type Regenerative Close Feed Water Heater

Gambar 6. Siklus Rankine dengan Regenerative Close Feed Water Heater

Gambar 7. Diagram T-S Siklus Rankine dengan Regenerative Close Feed Water Heater

Sama dengan Open Feed Water Heater apabila 1 kg uap air masuk ke Turbin, dan y kg menjadi Extraction Steam, dan (1-y) kg berlanjut menuju ke Boiler, maka kita dapat menghitung kerja output dan kalor masuk sebagai berikut:

Heat Input:
q in = h4 – h3 

Heat Output:
q out = (1 – y).(h6 – h1) + y.(h8 – h1) 

Work Output:
W turbin out = (h4 – h5) + (1 – y).(h5 – h6) 

Work Input:
W pump in = (h2 – h1)