Siklus Rankine atau biasa disebut siklus uap Rankine adalah tipe siklus tertutup yang umumnya digunakan oleh perusahaan pembangkit listrik seperti pembangkit listrik tenaga uap PLTU yang menggunakan batu bara atau reaktor nuklir. Dalam penerapannya, bahan bakar seperti batu bara digunakan untuk menghasilkan panas di dalam komponen boiler pembangkit listrik, mengubah air menjadi uap yang kemudian berekspansi melalui turbin untuk menghasilkan kerja yang bermanfaat. Dalam hal ini, menghasilkan putaran mekanis pada generator untuk menghasilkan energi listrik.
Seperti namanya, siklus rankine PLTU dikembangkan pada tahun 1859 oleh insinyur asal Skotlandia, William J.M. Rankine. Dimana inilah siklus termodinamika yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik—dan terakhir mengubahnya menjadi listrik melalui generator listrik.
Komponen Siklus Rankine PLTU
Untuk dapat membentuk siklus tertutup, terdapat empat komponen utama pada suatu pembangkit listrik tenaga uap (PLTU). Berikut adalah komponen serta peranannya:
- Pompa. Menaikkan tekanan fluida menggunakan pompa (membutuhkan kerja)
- Boiler. Fluida yang sudah terkompresi kemudian dipanaskan sampai suhu akhir (yaitu pada titik didih), sehingga terjadi perubahan fasa—dari cair menjadi uap (evaporasi)
- Turbin. Ekspansi uap di turbin dan menghasilkan kerja mekanis pada batang generator.
- Kondensor. Kondensasi uap di dalam kondensor di mana panas buangan dialirkan ke heat sink. Misalnya ke danau atau sungai.
Fluida yang berada dalam siklus tertutup dan akan digunakan kembali secara terus menerus. Hal tersebut menjelaskan mengapa air merupakan fluida yang paling praktis dalam siklus Rankine ini.
Air juga tidak beracun dan tidak reaktif, tersedia dengan biaya rendah, serta sifat termodinamikanya yang menjadikan air sebagai pendingin dan media yang efektif pada pembangkit listrik termal dan industri energi lainnya.
Saat air mengembun di kondensor, panas akan dilepaskan dalam bentuk uap air. Hal ini dapat terlihat dari kepulan asap menara pendingin pabrik. Panas buangan ini ternyata diperlukan dalam setiap siklus termodinamika. Karena langkah kondensasi ini, tekanan di outlet turbin diturunkan. Artinya, pompa membutuhkan lebih sedikit kerja untuk mengompres air dan menghasilkan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi.
Untuk lebih detilnya, silahkan baca artikel tentang pembangkit listrik tenaga uap.
Cara Kerja Siklus Rankine PLTU
Dalam kasus siklus Rankine, Hukum Gas Ideal hampir tidak dapat digunakan (uap tidak mengikuti hukum pV=nRT). Oleh karena itu, semua parameter penting pada air dan uap ditabulasikan dalam bentu tabel uap.
Dari sudut pandang termodinamika, kinerja turbin uap dapat dianalisa berdasarkan teori siklus Rankine. Sementara itu, pembangkit listrik tenaga nuklir modern umumnya mempunyai efisiensi termal sekitar sepertiga atau 33%. Artinya, pembangkit memerlukan 3000 MWth daya termal dari reaksi fisi untuk dapat menghasilkan 1000 MWe tenaga listrik.
Dalam siklus Rankine, sistem akan mengalami serangkaian empat proses: dua proses isentropik (adiabatik reversibel) yang diselingi dengan dua proses isobarik:
- Proses 1 – 2: Air atau kondesnat cair dikompresi secara isentropik adiabatik dalam pompa sentrifugal. Air kemudian dipompa dari kondensor ke boiler bertekanan tinggi. Dalam proses ini, fluida mengalami peningkatan entalpi (h = u+pv) dan tekanan. Di sisi lain, entropi tidak berubah (isentropik). Besarnya kerja yang dibutuhkan kompresor dalam proses ini ialah Wpumps = H2 – H1.
- Proses 2- 3: Fase penambahan panas secara isobarik (tekanan konstan) pada boiler. Air dipanaskan hingga mencapai titik didih (2 – 3a) dan kemudian diuapkan (3a – 3). Kalor yang ditambahkan ialah Qadd = H3 – H2
- Proses 3 – 4: Uap yang berasal dari boiler berekspansi secara isentropik di dalam turbin uap untuk menghasilkan kerja. Uap yang menggerakkan bilah turbin akan kehilangan sejumlah entalpi yang sama besar dengan kerja yang dihasilkan oleh sistem, Wt = H4 – H3
- Proses 4 – 1: Pada fase ini, siklus Rankine diakhiri dengan proses tekanan konstan (isobarik) di mana sebagain panas dibuang dari uap yang terkondensasi. Di fase ini juga terjadi perpindahan panas dari uap ke air yang mengalir di sirkuit pendingin. Uap mengembun, sementara suhu air pendingin menjadi naik. Jumlah energi panas yang dibuang ialah Qre = H4 – H1
source: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Rankine_cycle
https://www. nuclear-power.com/nuclear-engineering/thermodynamics/thermodynamic-cycles/rankine-cycle-steam-turbine-cycle/
