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

Pengertian Reheater pada Boiler

Pengertian Reheater Pada Boiler - Reheater adalah salah satu bagian boiler yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap air keluaran turbin uap tingkat pertama, sehingga kembali menjadi uap superheat. Uap reheat akan kembali menyimpan energi panas untuk digunakan pada turbin uap tingkat selanjutnya. Reheater menjadi salah satu cara untuk meningkatkan nilai efisiensi termal Siklus Rankine. Kunjungi artikel berikut untuk mengetahui cara-cara lain meningkatkan efisiensi termal Siklus Rankine.

Mari kita perhatikan diagram T-s Siklus Rankine berikut.

Siklus Rankine

Diagram T-s di atas adalah diagram Siklus Rankine ideal, standard, tanpa digunakannya konsep reheater. Uap superheat keluaran boiler hanya sekali aliran saja melewati sudu-sudu turbin, dan berakhir dengan proses kondensasi di kondensor. Selanjutnya mari kita bandingkan dengan Siklus Rankine dengan reheater.

Pengertian Reheater Pada Boiler

Siklus Rankine yang dilengkapi dengan reheater, akan memiliki minimal dua tingkatan turbin uap: turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. Uap keluaran turbin tekanan tinggi, yang biasa dikenal dengan istilah uap cold reheat, memiliki tekanan dan temperatur yang lebih rendah daripada uap utama (main steam) sebelum masuk turbin. Sekalipun tekanan uap cold reheat cukup mengalami penurunan yang besar, namun masih belum mencapai titik saturasinya. Sehingga jika uap ini dipanaskan kembali, ia akan kembali menjadi uap superheated. Oleh karena itulah uap cold reheat yang keluar dari turbin tekanan tinggi selanjutnya dikembalikan ke boiler, untuk dipanaskan kembali.

Boiler modern yang dilengkapi dengan pipa-pipa reheater, didesain khusus sehingga uap reheater akan menyerap panas sama seperti uap main steam. Uap reheater, atau biasa disebut juga dengan uap hot reheat, akan mencapai temperatur yang sama dengan uap main steam. Untuk mencapai hal ini, pipa-pipa reheater akan ditempatkan tidak jauh dari pipa-pipa final superheater. Lebih jelasnya, mari kita simak diagram boiler supercritical berikut.

Boiler Supercritical

Nampak pada diagram boiler di atas, pipa-pipa superheater terbagi menjadi dua tahapan pemanasan. Pertama uap cold reheat akan melewati pipa-pipa Low Temperature Reheater, yang ditandai dengan nama "LTRH". Selanjutnya, uap keluaran LTRH menuju pipa-pipa bernama Final Reheater. Uap yang dihasilkan oleh Final Reheater inilah yang kemudian disebut dengan Hot Reheat. Hot Reheat selanjutnya menuju ke turbin uap tekanan rendah, sehingga energi panas yang terkandung di dalamnya dikonversikan menjadi energi mekanis putaran poros turbin.

Secara teoritis, penambahan penggunaan satu tahap reheater akan meningkatkan efisiensi termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu atau maksimal dua tahap reheater saja.