Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus daya uap yang digunakan untuk menghitung atau memodelkan proses kerja mesin uap / turbin uap. Siklus ini bekerja dengan fluida kerja air. Semua PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) bekerja berdasarkan prinsip kerja siklus Rankine. Siklus Rankine pertama kali dimodelkan oleh: William John Macquorn Rankine, seorang ilmuan Scotlandia dari Universitas Glasglow. Untuk mempelajari siklus Rankine, terlebih dahulu kita harus memahami tentang T-s diagram untuk air. Berikut ini adalah T-s diagram untuk air.

Gambar 1 diagram T-s untuk air

(sumber : NBS/NRC Steam Tables/1 by Lester Haar, John S. Gallagher, and George S. Kell )

T-s diagram adalah diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur (T) dengan entropi (s) fluida pada kondisi tekanan, entalpi, fase dan massa jenis tertentu. Jadi pada diagram T-s terdapat besaran-besaran tekanan, massa jenis, temperatur, entropi, entalpi dan fase fluida.
Sumbu vertikal T-s diagram menyatakan skala temperatur dan sumbu horizontal menyatakan entropi. Terdapat 2 sistem satuan untuk T-s diagram yaitu sistem satuan internasional seperti pada gambar 1 dan sistem satuan Inggris. Menggunakan diagram ini perlu diperhatikan sistem satuan yang digunakan. Selain itu masing-masing jenis fluida mempunyai diagram T-s nya sendiri-sendiri dan berbeda satu dengan lainnya. Misalnya T-s diagram untuk air tidak akan sama dengan T-s diagram untuk freon R12 dan tidak akan sama dengan T-s diagram untuk amoniak.

Selain diagram T-s juga dikenal Mollier diagram atau h-s diagram. Berikut ini adalah h-s diagram untuk air.

Gambar 2 h-s diagram untuk air

(sumber : NBS/NRC Steam Tables/1 by Lester Haar, John S. Gallagher, and George S. Kell )

Diagram h-s menggambarkan hubungan antara energi total (entalpi (h)) dengan entropi (s). Sama seperti diagram T-s, untuk setiap fluida memiliki diagram h-s nya sendiri-sendiri. Kedua diagram ini dapat digunakan untuk menghitung kinerja pembangkit listrik tenaga uap dengan menggunakan siklus Rankine.
Bagian-bagian T-s diagram dapat dilihat pada gambar 3 berikut ini.

Gambar 3 bagian-bagian T-s diargam

Pada T-s diagram terdapat garis lengkung berbentuk kubah yang disebut kubah uap. Puncak kubah uap ini terdapat sebuah titik yang disebut titik kritis. Bila fluida dipanaskan pada tekanan kritis yaitu tekanan pada titik kritis ini, maka pada saat temperatur fluida mencapai temperatur kritisnya, semua molekul fluida akan berubah secara cepat dari fase cair menjadi fase gas (uap) tanpa ada proses penyerapan panas laten (panas penguapan) oleh sebab itu titik ini disebut titik kristis fluida. Untuk air, titik kritis berapa pada tekanan 218 atm (22,064 MPa) dan temperatur 374 ^oC. Jadi bila air dipanaskan pada tekanan 22,064 Mpa atau 218 atm, maka ketika temperatur air mencapai 374 ^oC, secara cepat air akan berubah langsung dari fase cair menjadi fase gas tanpa melalui proses penyerapan energi untuk proses penguapan.
Dari titik kristis ke arah kanan mengikuti garis kubah uap disebut garis uap jenuh. Bila fluida berada pada kondisi tekanan dan temperatur yang sesuai dengan garis ini, maka fluida tersebut berada pada kondisi 100% uap jenuh. Dari titik kristis ke arah kiri mengikuti garis kubah uap, disebut garis cair jenuh. Pada garis ini fluida memiliki fase cair 100%.
Di dalam kubah uap adalah daerah panas laten yaitu panas penguapan atau panas pengembunan. Pada daerah ini fluida berada dalam kondisi 2 fase yaitu fase cair dan fase gas bercampur menjadi satu. Kadar uap dapat ditentukan dari garis kadar uap.
Daerah di atas kubah uap di sebelah kanan adalah daerah uap panas lanjut ( superheated steam ). Sedangkan daerah di sebelah kiri di luar kubah uap disebut daerah dingin lanjut. Untuk uap jenuh, sifat-sifat termodinamika uap dapat ditentukan hanya dengan mengunakan temperatur atau tekanannya saja, tetapi untuk menentukan sifat-sifat termodinamika uap pada kondisi panas lanjut dan dingin lanjut harus diketahui tekanan dan temperatur uap.
Bila kita memanaskan air dari kondisi cair misalnya pada tekanan konstan 1 atm dan  mulai dari temperatur 18 ^oC hingga temperatur 230 ^oC, maka pada diagram T-s dapat digambar sebagai berikut.

Gambar 4 proses pemanasan air dari 18 ^oC hingga 230 ^oC pada tekanan 1 atm (101,325 kPa)

Proses pemanasan air dapat digambarkan pada diagram T-s seperti pada gambar 4 di atas. Pada tekanan 1 atm , air dengan temperatur awal 18 ^oC memiliki entropi 0,28 kJ/kg.K, bila dipanaskan maka temperatur air akan naik mengikuti garis tekanan konstan hingga mencapai titik temperatur didih yaitu untuk tekanan 1 atm titik didih air adalah 99,98 ^oC. atau entropi air bertambah dari 0,28 kJ/kg.K menjadi 1,3 kJ/kg.K. Entalpi air bertambah dari 82 kJ/kg menjadi 418 kJ/kg. ini adalah energi total (entalpi) yang dibutuhkan untuk memanaskan air dari kondisi cair pada temperatur 18^oC menjadi air siap mendidih (berubah fase) pada temperatur 99,98 ^oC. Pada diagram T-s proses mengikuti garis A-B.
Bila panas terus diberikan, temperatur air tidak akan naik tetapi terjadi perubahan fase air dari fase cair menjadi fase gas. Perubahan fase ini mengikuti garis B-C. Pada proses ini terjadi penyerapan kalor (energi) yang digunakan untuk mengubah fase zat, pada kondisi temperatur konstan. Energi yang diserap ini tidak dapat di ukur dengan mengunakan termometer karena temperatur fluida tidak berubah. Oleh sebab itu, proses ini disebut proses penyerapan panas laten (non sensibel heat). Pada proses ini entropi air bertambah dari 1,3 kJ/kg.K menjadi 7,6 kJ/kg.K. Proses terus berlanjut hingga titik C yaitu titik yang tepat berada pada garis uap jenuh. Pada titik C semua molekul air telah berubah menjadi fase gas. Antara titik B dan titik C adalah kondisi 2 fase yaitu  campuran gas dan cair. Kadar uap dalam campuran ini disebut faktor kebasahan atau sering disingkat dengan huruf X. besar faktor kebasahan dapat dihitung dengan mengunakan rumus :

Keterangan :
X : faktor kebasahan (%) menyatakan persentase uap
h_g(t) : entalpi uap pada temperatur fluida tertentu (kJ/kg)
h_f : entalpi cair (kJ/kg)
h_fg : entalpi perubahan dari cair ke gas (kJ/kg)
s_g(t) : entropi uap pada temperatur fluida tertentu (kJ/kg.K)
s_f : entropi cair (kJ/kg.K)
s_fg : entropi perubahan dari cair ke gas (kJ/kg.K)
misalkan pada proses pemanasan air di atas, kita hendak mengetahui berapa kadar uap pada saat entropi air = 4 kJ/kg.K, maka kadar uap dapat dihitung :

Artinya pada saat entropi fluida mencapai 4 kJ/kg.K kadar uap dalam campuran adalah 44,6 %.
Angka ini dapat dengan mudah ditentukan melalui T-s diagram.
Pada titik C air berada dalam kondisi uap jenuh atau 100 % uap. Bila energi (panas) terus diberikan maka uap jenuh akan berubah menjadi uap panas lanjut. Pada proses pemanasan uap panas lanjut, tekanan dan temperatur fluida akan naik. Tetapi bila proses pemanasan ini dilakukan pada tekanan konstan maka akan mengikuti garis C-D.
Proses yang telah kita bahas ini adalah proses sederhana yang berlangsung pada saat kita memanaskan air. Proses ini hampir sama dengan proses yang terjadi di dalam boiler pada unit pembangkit uap di PLTU.
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