Pengertian Boiler Pipa-Api

Masih ingatkah Anda apa pengertian boiler? Boiler adalah sebuah wadah atau bejana yang berfungsi untuk memanaskan air. Pada prinsipnya, sebuah panci pun juga boiler, hanya saja bukan boiler semacam ini yang akan kita bahas. Dahulu kala, para rekayasa mekanik menciptakan boiler hanya dengan jalan memperbesar ukuran 'panci'. Lalu secara bertahap mereka mendesain boiler dengan lebih kompleks lagi. Salah satunya adalah dengan menggunakan prinsip bahwa semakin luas permukaan kontak antara sumber panas dengan air yang dipanaskan, maka akan semakin banyak uap yang bisa dihasilkan oleh boiler dengan ukuran yang sama. Lalu muncullah ide untuk membuat saluran-saluran pipa di dalam 'panci' raksasa tersebut, sehingga pipa-pipa tersebut 'mengalirkan' api -- atau setidaknya gas panas hasil pembakaran -- melewati sejumlah air yang ditampung oleh 'panci' raksasa. Inilah cikal bakal dari boiler pipa-api. Maka pengertian boiler pipa-api adalah salah satu tipe boiler yang mengalirkan panas hasil proses pembakaran ke dalam satu atau lebih pipa-pipa, yang berada di dalam wadah tertutup berisi air.

Pengertian Boiler Pipa-api
Boiler Haystack: 'Panci Raksasa' cikal bakal boiler pipa-api
Pengertian Boiler Pipa-Api
Boiler Pipa-Api Vertical: Pengembangan dari Boiler Haystack

Boiler pipa-api menjadi tipe boiler yang paling sederhana. Boiler ini memungkinkan untuk diaplikasikan pada kebutuhan uap air rendah hingga menengah. Hal tersebut dimungkinkan karena desainnya yang tidak lebih rumit dari boiler pipa-air. Ukuran boiler pipa-api juga relatif lebih kecil, dan memungkinkan untuk dipindah tempatkan dengan sangat mudah. Kelebihan tersebut yang kemudian membuat boiler ini sangat populer ketika dikembangkan bersamaan dengan mesin uap. Di abad ke-19 hingga awal abad ke-20, boiler pipa-api dikembangkan secara besar-besaran untuk memenuhi kebutuhan transportasi di masa itu. Kereta uap, kapal laut, hingga model awal mobil, menjadi moda transportasi berdapur pacu boiler pipa-api yang paling canggih di masa itu.

Pengertian Boiler Pipa-Api

Sesuai dengan namanya, boiler pipa-api mengalirkan gas panas hasil pembakaran ke saluran pipa-pipa yang diselubungi oleh air. Berbagai desain saluran pipa berbeda dibuat untuk memaksimalkan penyerapan panas dari gas buang hasil pembakaran tersebut. Level air di dalam tanki boiler, wajib terjaga ketinggiannya untuk menghindari overheat. Di sisi lain, boiler ini juga dilengkapi dengan safety relief valve yang berfungsi untuk melepas tekanan berlebih sehingga terhindar dari ledakan.

Banyak tipe boiler pipa-api juga sudah dilengkapi dengan sistem pemanas uap lanjut untuk menghasilkan uap superheated. Namun demikian, boiler pipa-api memiliki keterbatasan produksi uap air yang hanya maksimal 2500 kg/jam dengan tekanan maksimal 10 bar saja.

Macam-macam Superheater pada Boiler

Macam-macam Superheater pada Boiler - Superheater adalah komponen boiler subcritical yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap saturated, pada tekanan kerja konstan, sehingga menjadi uap superheated (panas lanjut). Pada pengembangannya sejak di awal abad ke-20, bersamaan dengan berbagai perlombaan desain boiler, beberapa ahli rekayasa mematenkan desain superheater yang berbeda-beda. Berikut adalah macam-macam superheater pada boiler, sesuai dengan paten-paten tersebut:

1. Radiant Superheater

Radiant superheater adalah superheater yang diposisikan di area ruang bakar boiler, sehingga pipa-pipa superheater langsung menyerap panas radiasi dari pembakaran di dalam furnace. Pada boiler pipa air modern, pipa-pipa radiant superheater ini ditempatkan menggantung di bagian atas furnace boiler. Pipa-pipa ini akan menyerap energi panas paling besar kedua, setelah pipa-pipa wall tube (raiser/evaporator tube).

Macam-macam Superheater pada Boiler
Radiant Superheater

Karakter dari superheater radian adalah semakin banyak uap air yang mengalir di dalam pipa-pipa superheater radian, maka akan semakin rendah temperatur uap di keluaran superheater ini.

2. Convection Superheater

Sesuai dengan namanya, convection superheater adalah pipa-pipa superheater boiler yang ditempatkan di aliran gas buang hasil pembakaran furnace yang masih mengandung panas. Pipa-pipa superheater konveksi ini akan menyerap panas dari gas buang hasil pembakaran secara konveksi. Konsep ini bertujuan utama untuk memaksimalkan penyerapan panas dari pembakaran.

Berkebalikan dengan superheater radian, karakteristik dari superheater konveksi adalah semakin banyak uap air yang mengalir di dalam pipa-pipa superheater konveksi, maka akan semakin tinggi temperatur uap keluaran superheater konveksi.

3. Separately Fired Superheater

Separately fired superheater adalah superheater yang ditempatkan terpisah dengan boiler utama, dengan memiliki sistem pembakaran sendiri terpisah dengan boiler utama. Desain superheater ini tidak seperti tipe radian maupun konveksi yang masih menggunakan panas hasil pembakaran di dalam furnace, namun justru menempatkan burner tambahan di area pipa-pipa superheater. Superheater tipe ini tidak populer digunakan, bahkan cenderung sudah punah karena alasan efisiensi rasio pembakaran dengan kualitas uap yang tidak lebih baik dari tipe superheater yang lain.

Separately Fired Superheater
Salah satu desain paten Separately Fired Superheater

4. Kombinasi Radiant dan Convection Superheater

Tipe superheater yang terakhir berikut adalah yang paling populer, dan masih diaplikasikan hingga saat ini. Superheater ini sekaligus mengkombinasikan dua karakteristik yang bertolak belakang antara superheater radian dengan konveksi, sehingga didapatkan uap superheated yang lebih homogen di debit aliran uap yang bervariasi. Grafik di bawah ini akan menjelaskan karakteristik tersebut.

Macam-macam Superheater Pada Boiler
Variasi Debit Uap vs Temperatur Akhir Uap Superheated

Pada boiler-boiler subcritical modern, komponen superheater radian masih dibagi lagi menjadi beberapa tahapan. Seperti pada diagram boiler subcritical di bawah ini misalnya, setelah melewati Primary Superheater yang merupakan superheater konveksi, uap dialirkan secara berurutan menuju ke Platent Secondary Superheater, Intermediate Secondary Superheater, lalu yang terakhir adalah Final Secondary Superheater. Desain ini bertujuan utama untuk memaksimalkan penyerapan panas radiasi dari pembakaran di dalam furnace.

Subcritical Boiler

Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Prinsip Kerja Boiler Supercritical - Boiler supercritical sejatinya sudah populer sejak pertengahan abad 20 lalu. Sejak saat itu hingga sekarang, boiler ini sangat populer diaplikasikan pada pembangkit-pembangkit tenaga listrik, menggantikan boiler-boiler subcritical. Boiler supercritical memiliki beberapa keunggulan yang tidak dimiliki oleh boiler subcritical, yakni:

  1. Efisiensi boiler lebih tinggi karena untuk menghasilkan energi panas yang sama, dibutuhkan bahan bakar lebih sedikit daripada boiler subcritical.
  2. Emisi gas buang terutama karbon dioksida relatif lebih rendah daripada boiler subcritical.
  3. Ukuran boiler relatif lebih kecil daripada boiler subcritical dengan output yang sama.

Prinsip Kerja Boiler Supercritical
Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Satu konsep dasar dari boiler supercritical adalah tekanan dan temperatur kerjanya yang berada di atas critical point air. Jika Anda sudah memahami apa itu critical point (baca artikel berikut), maka tentu Anda juga tahu bahwa air yang berada di atas titik kritis memiliki sifat yang sangat berbeda dengan fasa yang lain. Fasa yang dikenal dangan air supercritical ini memiliki karakteristik yang tidak bisa dibedakan apakah air berfasa cair, ataukah gas (Baca juga artikel berikut tentang uap supercritical). Air supercritical tidak lagi memiliki titik didih, tidak lagi memiliki fasa uap saturasi, sehingga air bertekanan di atas 221 MPa jika terus dipanaskan hingga di atas 374°C akan langsung berubah fasa menjadi uap kritis, tanpa melewati fasa campuran antara air dan uap seperti pada boiler subcritical. Konsep inilah yang nantinya akan membuat beberapa komponen boiler supercritical sedikit berbeda dengan boiler subcritical.

Dari konsep di atas saja, sudah ada satu perbedaan mendasar antara boiler subcritical dengan boiler supercritical. Pada boiler subcritical sebelum air sepenuhnya berubah fase menjadi uap superheat, air akan melewati fase saturasi. Oleh karena itulah pada boiler subcritical dibutuhkan komponen steam drum yang berfungsi sebagai pemisah antara air likuid dengan uap saturasi yang bisa dipanaskan lebih lanjut menjadi uap superheated. Sedangkan terbentuknya uap air pada boiler supercritical tidak melewati fase uap saturasi, maka dapat dipastikan boiler supercritical tidak membutuhkan steam drum. Hal ini juga menjadi salah satu kelebihan ekonomis dari boiler supercritical.

Diagram h-P Boiler Supercritical Sliding Pressure
Diagram h-P Boiler Supercritical Sliding Pressure

Namun demikian, boiler supercritical tidak benar-benar meniadakan sistem separasi air likuid dengan uap. Pada kondisi awal penyalaan boiler, boiler masih bekerja pada tekanan di bawah titik kritis. Pada kondisi ini pemanasan air tentu akan menyentuh fase uap saturasi, sehingga dibutuhkan komponen separator uap. Untuk memastikan aliran air terus ada di dalam evaporator boiler selama tekanan kerja masih dibawah titik kritis, maka ditambahkan pula pompa sirkulasi boiler (baca artikel berikut). Secara bertahap, tekanan kerja akan ditingkatkan (sliding pressure) hingga mencapai tekanan ideal di atas titik kritis. Jika tekanan kerja air sudah di atas titik kritis (umumnya didesain beban boiler sudah lebih dari 30%), separator akan secara otomatis mengalirkan fluida langsung ke low temperature superheater, dan tidak lagi disirkulasikan kembali ke evaporator. Kerja pompa sirkulasi juga otomatis berhenti. Pada kondisi ini, boiler supercritical sepenuhnya mengalami proses aliran tunggal (once-through boiler flow). Dengan demikian, jumlah aliran air yang masuk ke boiler via economizer sepenuhnya dikontrol oleh boiler feed water pump.

Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Jika kita cermati lagi, boiler supercritical akan mengalami dua macam sistem sirkulasi, yaitu:

  1. Mode basah (Wet-Mode). Mode basah terjadi ketika beban boiler masih di bawah 30%, atau dengan kata lain tekanan air masih di bawah titik kritis. Pada kondisi ini karena air masih akan mengalami fase saturasi, maka akan terjadi proses sirkulasi di dalam boiler sehingga mirip dengan yang terjadi pada boiler subcritical dimana jumlah sirkulasi air yang melewati evaporator boiler akan lebih banyak daripada jumlah uap air superheated yang dihasilkan. Jika mengacu pada contoh ilustrasi boiler di atas, maka aliran air akan seperti skema di bawah ini.Sirkulasi Boiler Supercritical saat Mode Basah Load Rendah
  2. Mode kering (Dry-Mode). Mode kering terjadi ketika beban boiler sudah di atas 30%, dan tekanan fluida sudah di atas critical point. Pada kondisi ini boiler tidak lagi akan melewati fase saturasi, sehingga separator dan pompa sirkulasi boiler akan berhenti bekerja. Boiler supercritical akan mengalami aliran fluida tunggal dalam artian semua air yang masuk ke boiler hanya akan satu kali melewati pipa-pipa boiler tanpa adanya porses resirkulasi melewati evaporator kembali. Skema aliran boiler supercritical akan menjadi seperti di bawah ini.Sirkulasi Boiler Supercritical saat Mode Kering Load Tinggi

Free E-book:

  1. E-book 1
  2. E-book 2