Prinsip Kerja Superheater

Prinsip Kerja Superheater - Superheater adalah sebuah komponen boiler subcritical yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap saturated, pada tekanan kerja konstan, sehingga menjadi uap superheated. Teknologi superheater sudah digunakan sejak awal penggunaan mesin uap di sekitar awal abad 20. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan energi panas yang terkandung di dalam uap, sehingga efisiensi termal mesin akan ikut meningkat. Hingga saat ini penggunaan superheater masih sangat populer, terutama pada boiler-boiler pipa-air besar pembangkit listrik tenaga uap.

Prinsip Kerja Superheater

Gambar di atas adalah gambar penyederhanaan sebuah boiler pipa-air subcritical. Secara sederhana boiler pipa api tersebut tersusun atas dua buah tanki air di sisi bawah dan atas. Kedua tanki tersebut terhubung dengan pipa-pipa air yang biasa kita kenal dengan raiser tube. Panas dari hasil pembakaran akan lebih dulu melewati raiser tube, dengan harapan air mencapai titik saturasinya dan berubah fase menjadi uap saturated.

Uap saturated masih bercampur dengan air liquid sehingga dibutuhkan sebuah mekanisme untuk memisahkan uap saturated dengan air. Hal inilah yang menjadi fungsi dari tanki sisi atas. Tanki ini biasa kita kenal dengan nama steam drum. Air liquid akan tetap tinggal di dalam steam drum dan akan tersirkulasi untuk dipanaskan kembali oleh raiser tube. Sedangkan uap saturated akan keluar dari steam drum dan menuju pipa-pipa superheater. Pipa-pipa yang kita kenal dengan superheater pendant ini akan menyerap panas secara konveksi dan radiasi dari gas buang pembakaran, hingga uap saturated dapat semakin mengering dan menjadi uap superheated. Uap superheated keluaran superheater akan memiliki kandungan energi panas yang lebih besar daripada uap saturated.

Gambar di atas adalah skema boiler subcritical yang jauh lebih kompleks dan modern. Boiler ini sangat populer digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap. Secara konsep tidak banyak perbedaan dengan prinsip boiler subcritical sebelumnya. Hanya saja komponen superheater pada boiler subcritical modern dibuat menjadi beberapa tingkatan untuk menyesuaikan kebutuhan kualitas dan kuantitas produksi uap superheated. Pada diagram boiler tersebut superheater ditunjukkan dengan pipa-pipa berwarna merah.

Boiler subcritical memiliki desain yang sedemikian rupa sehingga proses pembakaran terjadi di ruang bakar utama. Ruang bakar ini tersusun atas pipa-pipa vertikal raiser tube yang akan menyirkulasikan air dari steam drum dan kembali ke steam drum lagi. Pada boiler subcritical modern, hanya digunakan satu tanki air yang sekaligus sebagai steam drum di sisi atas boiler.

Air-air di dalam raiser tube akan menyerap langsung panas dari proses pembakaran. Air dari raiser tube selanjutnya kembali ke steam drum. Di dalam steam drum, akan dipisah antara fase uap saturated dengan air liquid. Air yang masih liquid akan kembali disirkulasikan menuju raiser tube, sedangkan uap saturated akan keluar menuju pipa superheater pertama yang berada di area yang ditunjukkan dengan nama primary superheater. Primary superheater ini juga biasa dikenal dengan nama Low Temperature Superheater (LTSH). Pipa-pipa LTSH menyerap panas secara konveksi dari gas buang hasil pembakaran.

Dari LTSH, uap air akan melewati secara berturut-turut Platent Secondary Superheater, lalu Intermediate Secondary Superheater, dan terakhir Final Secondary Superheater. Air yang melewati pipa-pipa superheater ini menyerap panas dominan secara radiasi, bercampur dengan sedikit panas konveksi. Uap air keluaran Final Secondary Superheater inilah yang dinamakan uap superheated atau uap kering. Salah satu fase air yang benar-benar berfase gas. Tidak mengandung kelembaban sama sekali, dan menyimpan energi panas sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari uap saturated.

Diagram T-s Boiler Superheater

Di atas adalah diagram temperatur-entropi, yang menunjukkan bagaimana boiler superheater bekerja. Fungsi dari economiser boiler ditunjukkan dengan garis sebelah kiri, dimana air hanya mengalami kenaikan temperatur tanpa terjadi perubahan fase. Untuk pipa-pipa evaporator ditunjukkan dengan garis horisontal, menandai bahwa di sinilah proses terbentuknya uap-uap air terjadi. Sedangkan pipa-pipa superheater ditunjukkan oleh garis sebelah kanan kurva.

Pengertian Supercritical Steam

Pengertian Supercritical Steam -- Supercritical steam adalah salah satu bentuk fase air yang memiliki tekanan di atas 22,1 MPa dan temperatur lebih dari 374°C (tekanan dan temperatur di atas titik kritis), dimana antara fase cair dengan uap tidak dapat dibedakan. Uap superkritis mampu menembus sela-sela benda padat seperti gas, tapi juga mampu melarutkan material seperti sifat cairan. Pada kondisi superkritis, perubahan sedikit saja pada tekanan atau temperatur, akan menghasilkan sifat-sifat uap yang jauh berbeda. Hal ini menjadikan uap superkritis memiliki variasi sifat-sifat yang luas, yang dapat diaplikasikan ke banyak kebutuhan.

Pengertian Supercritical Steam

Mengacu pada diagram fase air, nampak bahwa fase air liquid dengan supercritical tidak memiliki fase transisi selayaknya uap saturasi yang menjadi fase transisi antara air liquid dengan superheated steam. Pada air superkritis, semua perbedaan antara liquid dan uap seakan tersamarkan. Pada fase ini, uap tidak akan bisa dikondensasi hanya dengan meningkatkan tekanan lingkungan.

Sifat khas lain dari supercritical steam yakni menjadi pelarut yang buruk bagi elektrolit. Fase superkritis sulit untuk membentuk ion. Namun supercritical steam justru menjadi pelarut yang baik bagi molekul non-polar, karena sifat permisifitas relatif yang rendah serta semakin lemahnya ikatan atom hidrogen.

Supercritical steam memiliki sifat yang sangat berbeda dengan air liquid. Uap superkritis menjadi pelarut yang buruk bagi elektrolit, sifat yang berbeda dengan air cair. Tapi justru sebaliknya, uap superkritis justru menjadi pelarut yang baik bagi molekul-molekul organik non-polar. Hal ini dapat terjadi karena uap superkritis memiliki permitivitas relatif yang rendah, serta ikatan hidrogen yang lemah. Viskositas dan dielektrik menurun, dan yang pasti adalah, air tidak memiliki nilI panas laten.

Ikatan hidrogen semakin melemah seiring peningkatan tekanan dan temperatur supercritical steam. Para ilmuwan menyimpulkan ikatan hidrogen tinggal sedikit saja setelah air mencapai tekanan 134 MPa dan suhu 600°C. Namun sekalipun ikatan hidrogen itu ada, secara substansial ia terdistorsi. Sedangkan mengenai apakah uap superkritis bersifat homogen atau heterogen, masih menjadi perdebatan banyak pihak. Sejauh ini, konsensus umum masih menyimpulkan bahwa uap superkritis bersifat heterogen.

Pengertian Superheated Steam

Apa sebenarnya pengertian superheated steam? Jawabnya sangat sederhana: Superheated steam atau uap panas lanjut adalah air yang benar-benar berfase gas. Jika uap saturated adalah uap air yang masih bercampur dengan air liquid, atau uap supercritical yang tidak bisa dibedakan dengan air supercritical, maka uap superheated adalah gas H2O kering yang sudah tidak mengandung kelembaban air sama sekali.

Pengertian Superheated Steam

Untuk memahami bagaimana air dapat berubah fase menjadi uap superheat, kita hanya perlu memahami diagram fase air di atas. Nampak pada diagram fase air tersebut, uap superheat menjadi salah satu fase air selain padat, cair, saturated, dan supercritical. Juga sesuai dengan diagram tersebut, uap superheat dapat berasal dari air liquid, air padat (es), dan juga supercritical tergantung dari kondisi lingkungan.

Perubahan Fase Air Liquid menjadi Superheated Steam

Air liquid dapat berubah fase menjadi superheated steam setelah melewati garis kurva saturasi. Untuk dapat melewati garis kurva saturasi, ada beberapa cara yang bisa dilakukan. Pertama dengan tekanan tetap, temperatur lingkungan ditingkatkan. Kedua pada temperatur tetap, tekanan lingkungan diturunkan. Terakhir, tekanan ruang diturunkan bersamaan dengan kenaikan temperatur ruang. Namun semua proses tersebut harus memenuhi satu syarat, garis perubahan kondisi lingkungan harus memotong kurva saturasi.

Perubahan Fase Air Padat (Es) menjadi Superheated Steam

Es, dapat langsung berubah fase menjadi uap kering tanpa harus melewati fase cair, dan begitu pula sebaliknya uap superheat dapat langsung berubah fase menjadi es tanpa harus melewati fase cair. Syaratnya adalah perubahan fase tersebut harus berada pada tekanan yang lebih rendah dari titik triple point, yaitu 0,61 kPa, atau 0,006 atm, tekanan yang hampir saja vakum. Prinsip inilah yang menjelaskan bagaimana hujan es bisa terjadi. Saat awan berada di atas atmosfer Bumi yang memiliki tekanan hampir vakum, mengalami pendinginan cepat sehingga uap air berubah fase seketika menjadi es.

Perubahan Fase Supercritical Steam menjadi Superheater Steam

Supercritical steam juga bisa berubah fase menjadi superheated steam dengan jalan menurunkan tekanannya. Uap supercritical memiliki tekanan dan temperatur kerja di atas titik kritis, yaitu lebih dari 22,1 MPa dan 374°C. Maka, seandainya sejumlah uap air kritis berada pada tekanan 25 MPa dan suhu 500°C mengalami penurunan tekanan menjadi 18 MPa, maka uap tersebut akan berubah menjadi uap superheat.