Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah sebuah siklus yang mengkonversi energi panas menjadi kerja / energi gerak. Dikembangkan oleh William John Macquorn Rankine pada abad ke-19 dan sejak saat itu banyak diaplikasikan pada mesin-mesin uap. Saat ini Siklus Rankine digunakan pada pembangkit-pembangkit listrik.

Gambar 1. Siklus Rankine

Gambar 2. Diagram Temperatur - Enthalpy

Air menjadi fluida kerja Siklus Rankine dan mengalami siklus tertutup (close-loop cycle) artinya secara konstan air pada akhir proses siklus masuk kembali ke proses awal siklus. Pada Siklus Rankine, air ini mengalami empat proses sesuai dengan gambar di atas, yaitu:

• Proses C-D: Fluida kerja / air dipompa dari tekanan rendah ke tinggi, dan pada proses ini fluida kerja masih berfase cair sehingga pompa tidak membutuhkan input tenaga yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi-Isentropik karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan Entropy yang terjadi.
• Proses D-F: Air bertekanan tinggi tersebut masuk ke Boiler untuk mengalami proses selanjutnya, yaitu dipanaskan secara Isobarik (tekanan konstan). Sumber panas didapatkan dari luar seperti pembakaran batubara, solar, atau juga reaksi nuklir. Di Boiler air mengalami perubahan fase dari cair, campuran cair dan uap, serta 100% uap kering.
• Proses F-G: Proses ini terjadi pada Turbin Uap. Uap air kering dari Boiler masuk ke Turbin dan mengalami proses ekspansi secara isentropik. Energi yang tersimpan di dalam uap air dikonversi menjadi energi gerak pada Turbin.
• Proses G-C: Uap air yang keluar dari Turbin Uap masuk ke Condenser dan mengalami kondensasi secara Isobarik. Uap air diubah fasenya menjadi cair kembali sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus.

Gambaran siklus melalui diagram T-S di atas adalah Siklus Rankine yang paling dasar dan sederhana. Pada penggunaannya ada beberapa modifikasi proses sehingga didapatkan Efisiensi Thermal Total yang lebih tinggi. Seperti penggunaan Preheater atau pemanasan awal sebelum masuk Boiler, dan juga penggunaan pemanasan ulang uap air yang keluar dari Turbin pertama (High Pressure Turbine) sehingga dapat digunakan lagi untuk masuk ke Turbin kedua (Intermediate Pressure Turbine). Untuk lebih mudah memahaminya dapat kita lihat skema prosesnya pada gambar di bawah ini.

Gambar 3. Siklus Rankine Dengan Preheater dan Reheater (Toshiba)

Pada gambaran di atas, air Kondensat yang dipompa oleh Pompa Ekstraksi Kondensat (CEP) dari Condenser menuju ke Deaerator / Feed Water Tank mengalami proses Preheating (GSC, LP #1 Heater, LP #2 Heater, LP #3 Heater). Dan air yang dipompa oleh Boiler Feed Water Pump (BFP) dari Feed Water Tank (Deaerator) menuju Boiler juga melewati Preheater (HP #5 Heater, HP #6 Heater, HP #7 Heater). Sumber panas yang digunakan oleh Preheater tersebut berasal dari Extraction Steam yang diambil dari Turbin Uap pada stage-stage tertentu.

Gambar 4. Diagram Temperatur-Entropy Untuk Modifikasi Siklus Rankine

Selain itu perbedaan yang lain dengan Siklus Rankine konvensional adalah adanya pemanasan kembali uap air yang keluar dari Turbin Pertama (High Pressure Turbine) oleh Boiler Reheater untuk kembali mendapatkan fase Superheated dan hasilnya kembali dimasukkan ke Turbin kedua (Intermediate Pressure Turbine).

Terdapat juga ada sistem Turbine Bypass uap air untuk tidak dilewatkan ke Turbin Uap. Uap Superheated yang keluar dari Boiler tidak masuk ke Turbin dan di-bypass (HPTB, Gambar 3) masuk kembali ke Boiler sisi Reheater. Dan uap yang keluar dari Boiler Reheater di-bypass (LPTB, Gambar 3) untuk masuk langsung ke Condenser. Fungsi dari sistem Turbine Bypass ini adalah sebagai sistem proteksi apabila terjadi suatu masalah di Siklus Rankine tersebut sehingga dapat terhindar dari kerusakan yang parah. Dan juga digunakan pada saat proses penyalaan awal (Start Up) sistem siklus tersebut dan juga proses mematikannya (Shutdown).