Apa itu siklus Rankine, dan bagaimana cara mendefinisikannya?

Evelyn Maitee Marin
Insinyur Industri, MSc Fisika, dan EdD

Siklus daya termodinamika yang ideal, yang tujuannya adalah untuk mendapatkan pekerjaan yang bermanfaat dari sumber panas. Efisiensinya dibatasi oleh yang setara Siklus Carnot yang beroperasi antara rentang suhu yang sama dan yang mematuhi hukum kedua termodinamika. Namanya merujuk pada fisikawan, insinyur, dan pendidik William John Macguorn Rankine (1820-1872), yang mengembangkan model ini di tempat kelahirannya, Skotlandia.

Siklus Rankines sangat penting, karena model ini digunakan sebagai dasar untuk menggambarkan banyak siklus termodinamika pembangkit listrik, baik dari sumber tak terbarukan, seperti pembangkit termoelektrik berbahan bakar batu bara, bahan bakar minyak atau nuklir; dan juga, siklus termodinamika dengan sumber terbarukan, seperti pembangkit listrik tenaga panas matahari atau pembangkit listrik tenaga panas bumi.

Gambar menunjukkan pembangkit listrik termal. Di sebagian besar pabrik ini, komponen seperti regenerator digabungkan, yang tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi siklus dan meningkatkan kinerjanya.

Komponen dasar dari siklus Rankine

Meskipun siklus Rankine dapat menggabungkan berbagai perbaikan dan komponen, yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi siklus; Ada empat perangkat dasar yang diperlukan untuk menyelesaikan rangkaian. Ini adalah:

• Pompa: merupakan komponen yang bertugas menaikkan tekanan fluida pemindah panas dari tekanan minimum (tekanan operasi kondensor), hingga tekanan maksimum (tekanan operasi kondensor). ketel). Pompa hanya dapat bekerja dengan zat dalam keadaan cair dan tidak dengan campuran, dan dengan pertimbangan ideal, prosesnya Kompresi dilakukan secara isentropis, meskipun pada kenyataannya selalu terjadi peningkatan entropi selama kompresi. kompresi.

• Kondensor: merupakan sistem yang bertugas menukar panas dengan reservoir pada suhu rendah suhu (dapat berupa sungai, danau, atau sumber lain), untuk mencapai perubahan fasa uap (atau campuran) di saluran keluar turbin, hingga mencapai keadaan cair sebelum memasuki pompa. Biasanya berupa koil atau pipa tempat fluida bersirkulasi secara internal. bekerja, dan memindahkan panas ke fluida yang digunakan sebagai media pendingin tanpa benar-benar tercampur dengan ini. Idealnya, kondensor beroperasi pada tekanan konstan, meskipun dalam praktiknya, sedikit penurunan tekanan terjadi selama proses kondensasi. kondensasi.

• Ketel (atau yang setara): ini adalah elemen atau ruang tempat terjadinya penambahan panas ke sistem, dan sumber panas ini dapat berasal dari berbagai sumber (pembakaran bahan bakar fosil, pembakaran biomassa, endapan panas bumi, energi panas matahari, atau panas yang dihasilkan selama fisi nuklir). Fluida bertekanan tinggi harus masuk ke boiler dan ini bertugas memasok panas yang diperlukan untuk membawanya ke kondisi uap (atau uap super panas) sebelum diekspansi di turbin. Idealnya, boiler beroperasi pada tekanan konstan, meskipun dalam praktiknya penurunan tekanan terjadi selama proses penambahan panas.

• Turbin uap: dalam siklus termodinamika, turbin memenuhi fungsi kebalikan dari pompa, yaitu, tujuannya adalah untuk memperluas uap di outlet boiler untuk membawanya ke tekanan minor. Selama proses ekspansi, tumbukan partikel uap pada bilah turbin menyebabkan poros rotor berputar menghasilkan energi mekanik, yang, pada gilirannya, dapat diubah menjadi tenaga listrik jika digabungkan dengan generator. Dalam kondisi ideal, proses ekspansi di turbin dilakukan secara isentropis, tetapi karena ireversibilitas, peningkatan entalpi.

Siklus Rankine dasar

Siklus ini, dalam versi dasarnya, terdiri dari empat proses: dua isobarik dan dua isentropik, seperti yang ditunjukkan pada gambar. skema. Daerah tertutup dalam batas-batas dari 4 negara merupakan kerja bersih dari siklus (w_bersih), yang berhubungan langsung dengan efisiensi termal siklus.

Proses ideal yang diikuti oleh fluida kerja (bisa berupa air atau zat lain) adalah sebagai berikut:

Substansi dalam keadaan cair memasuki pompa di mana ia dikompresi ke tekanan boiler (status 2). Di dalam boiler, cairan dipanaskan dan berubah fase, dari cairan menjadi campuran dan kemudian menjadi uap. Jika panas terus ditambahkan melampaui keadaan uap jenuh, zat tersebut menjadi uap super panas, meningkatkan suhunya (keadaan 3). Selanjutnya, uap masuk ke turbin untuk berekspansi hingga mencapai tekanan minimum (status 4) dan masuk ke kondensor di mana ia akan kehilangan panas untuk beralih dari keadaan uap (atau campuran) menjadi cair (keadaan 4) menyelesaikan rangkaian.

Efisiensi siklus rankine

Efisiensi termal terkait dengan area yang dilingkupi oleh area yang dibatasi oleh 4 keadaan siklus, yaitu yang berarti bahwa untuk input panas konstan, semakin besar kerja bersih, semakin besar efisiensinya siklus. Kerja bersih (w_bersih) adalah selisih kerja yang dihasilkan oleh turbin (w_KELUAR) dikurangi kerja yang dilakukan oleh pompa (w_{pintu masuk}). Sebaliknya, efisiensi siklus juga dapat ditingkatkan dengan mengurangi jumlah panas yang harus disuplai ke boiler (q_{pintu masuk}), dan salah satu cara untuk mencapainya adalah dengan memasukkan pemanas (terbuka atau tertutup) ke dalam siklus, yang fungsi utamanya adalah memanaskan air terlebih dahulu dari makanan (air yang masuk ke boiler) melalui ekstraksi uap dari turbin; ini akan membuat sirkuit menjadi siklus Rankine regeneratif.

Dalam persamaan terakhir, variabel h mewakili entalpi di setiap keadaan, dan nilainya diperoleh dari tabel uap fluida kerja dari kondisi tekanan dan/atau suhu.

Perbaikan pada siklus Rankine dimaksudkan untuk menambah luas yang mewakili kerja bersih dari siklus atau untuk mengurangi panas yang disuplai oleh boiler.