Macam-macam Boiler

Boiler merupakan sebuah alat untuk menciptakan uap air. Keberadaan boiler menjadi penting sejak pengembangannya di kisaran abad 18 dan 19. Boiler pun mengambil peran penting di era Revolusi Industri dan mendorong berbagai penemuan penting lainnya. Pada perkembangan selanjutnya banyak penelitian telah berhasil memunculkan berbagai desain boiler baru.

Untuk mengklasifikasikan boiler, kita hanya bisa melakukannya dengan melihat dari berbagai sudut pandang. Berbagai sudut pandang tersebut bergantung atas desain tiga komponen penyusun boiler yakni unsur air, uap air, serta ruang bakar. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas satu-persatu.

Macam-macam boiler berdasarkan posisi relatif air-uap air dengan ruang bakar

  1. Boiler Pipa-Api (Fire-tube boiler)
    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.

    schematic diagram of a Fire tube boiler

    Sesuai dengan namanya, boiler pipa-api mengalirkan gas panas hasil pembakaran ke saluran pipa-pipa yang diselubungi oleh air. Gas panas hasil pembakaran bahan bakar di ruang bakar (furnace) dialirkan ke pipa-pipa khusus tersebut sebelum dibuang ke atmosfer. Boiler pipa-api memiliki desain yang sangat sederhana sehingga hanya membutuhkan ruang yang tidak terlalu besar. Bahkan banyak desain-desain boiler ini yang memungkinkannya untuk dipindah-pindahkan ke satu tempat ke tempat lain. Namun demikian, boiler pipa-api memiliki keterbatasan produksi uap air yang hanya maksimal 9000 kg/jam dengan tekanan maksimal 17 bar saja.

    Boiler pipa-api sendiri masih bisa diklasifikasikan menjadi beberapa tipe:

    • Boiler Haystack
      Boiler ini merupakan boiler dengan desain paling sederhana. Hanya tersusun atas sebuah tungku raksasa yang ditumpangi sebuah panci besar. Boiler yang berbentuk seperti panci ini memang dahulunya terinspirasi oleh panci memasak. Boiler yang dikembangkan di abad 18 ini hanya mampu bekerja di tekanan maksimum 5 psi. Boiler yang saat ini sudah sangat jarang di temui ini menjadi cikal bakal dikembangkannya berbagai desain boiler baru hingga ditemukannya desain boiler pipa-api modern.
      Boiler Haystack

      (Credit: Science Museum Group)

    • Centre-flue Boiler
      Pada perkembangan selanjutnya boiler mulai didesain lebih kompleks. Boiler centre-flue menjadi awal kelahiran boiler pipa-api, karena gas hasil pembakaran dialirkan ke dalam tanki air melalui sebuah pipa besar sebelum dibuang ke udara luar. Pipa gas buang (flue gas) tersebut hanya memiliki satu arah menjauh dari tungku api.

      Centre-flue Boiler

      Boiler ini menjadi populer setelah digunakan sebagai mesin lokomotif pertama. Boiler ini cukup baik disisi aliran gas buang karena penggunaan cerobong mininya. Akan tetapi tidak terlalu efisien jika digunakan untuk membakar terlalu banyak bahan bakar seperti kayu atau batubara.



    • Return-flue Boiler
      Boiler return-flue menjadi pengembangan lebih lanjut dari tipe centre-flue. Jika centre-flue menggunakan satu pipa aliran gas buang, maka pipa gas buang pada boiler return-flue dibuat memiliki aliran balik berbentuk huruf U. Tujuan dari desain ini adalah untuk lebih meningkatkan efisiensi boiler. Boiler yang berkembang di awal abad 19 ini digunakan sebagai mesin lokomotif menggantikan boiler centre-flue yang tidak terlalu efisien.
      Return-flue Boiler

      (Credit: Wikipedia: Flued Boiler)

    • Boiler Huber
      Boiler Huber menjadi boiler pipa-api pertama yang lebih kompleks dari beberapa jenis boiler sebelumnya. Boiler ini sudah tidak menggunakan satu pipa besar sebagai saluran balik gas buang, namun sudah menggunakan beberapa pipa kecil atau tube dengan tujuan untuk memaksimalkan perpindahan panas dari gas buang ke air di dalam tanki. Bentuk dari saluran gas buang setelah keluar dari ruang pembakaran juga memiliki desain lebih baik. Desain tersebut membuat distribusi gas menjadi lebih maksimal ke semua saluran pipa.
      Huber Boiler


    • Boiler Cornish
      Pengembangan desain boiler pipa-api yang lain adalah Boiler Cornish. Boiler ini merupakan boiler horisontal dengan sistem natural draught (suppy udara) sehingga membutuhkan bentuk cerobong asap yang tinggi untuk menjamin pasokan oksigen cukup. Boiler ini dibuat dari sebuah tanki air besar dengan ruang bakar yang tepat berada di tengah-tengahnya. Dengan diapit sebuah bangunan batu-bata, sedemikian rupa sehingga aliran gas buang pembakaran yang keluar dari ruang bakar di tengah-tengah tanki, akan mengalir balik menyusuri pinggiran sisi luar tanki. Selanjutnya bangunan batu-bata akan mengarahkan gas buang untuk menyusuri sebuah lorong di bawah tanki, sebelum akhirnya melewati cerobong asap dan keluar ke atmosfer. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan gambar tampak samping, atas, dan depan boiler Cornish ini.
      Boiler Cornish
    • Boiler Butterley
      Boiler Butterley merupakan pengembangan dari boiler Cornish, yang pada awalnya bertujuan untuk mengakomodir kebutuhan boiler di Amerika Serikat bagian utara yang kaya akan batubara dengan nilai kalori lebih rendah dari daratan selatan. Boiler ini mirip dengan desain boiler Cornish namun dengan menghilangkan saluran gas buang di bawah tanki air.
      Butterley Boiler
    • Boiler Lancashire
      Boiler Cornish juga memiliki turunan desain boiler pipa-api yang lain bernama Boiler Lancashire. Jika boiler Cornish hanya memiliki satu ruang bakar dan sekaligus satu pipa-api besar di tengah-tengah tanki air, maka boiler Lancashire memiliki dua ruang bakar yang sekaligus dua pipa-api di tengah-tengah tanki air. Boiler yang dikembangkan oleh William Fairbairn di tahun 1844 ini berusaha menyesuaikan desain boiler Cornish jika menggunakan bahan bakar batubara di area Lancashire di dataran Inggris, yang cenderung berkarakter sulit dibakar di boiler berukuran kecil.
      Lancashire Boiler
      Lancashire Boiler


    • Boiler Lokomotif
      Boiler Lokomotif menjadi boiler pipa-api pertama yang cukup kompleks. Bahkan boiler ini masih sering kita jumpai hingga saat ini. Boiler yang diberi nama sesuai dengan penggunaannya sebagai mesin penggerak kereta api ini didesain untuk menghasilkan uap air kering (superheater). Uap air tersebut akan langsung digunakan sebagai penggerak piston-torak pada mesin uap yang didesain menyatu dengan sistem boiler Lokomotif. Boiler ini pun sudah didesain memiliki banyak pipa-pipa api berukuran sedang yang lebih kecil dari pipa-api pada Boiler Centre-Flue dan Return-Flue, sehingga akan memperbesar transfer energi panas dari gas pembakaran ke air. Satu komponen penting dari Boiler Lokomotif adalah keberadaan katup uap superheater yang berada di dalam bagian bernama dome. Katup satu arah ini hanya akan terbuka oleh uap air superheater pada saat mencapai tekanan tertentu. Selanjutnya uap air kering akan masuk menjadi media penggerak piston uap.

      Boiler Lokomotif

    • Boiler Scotch Marine
      Boiler Scotch Marine menjadi desain boiler pipa-api yang paling populer digunakan bahkan hingga saat ini. Boiler ini pada awalnya dibuat untuk memenuhi kebutuhan uap pada mesin-mesin kapal laut. Bahkan kapal legendaris Titanic menggunakan total 29 boiler Scotch Marine.

      Scotch Marine Boiler

      Boiler Scotch Marine memiliki efisiensi tinggi. Hal ini didapat karena desain pipa api di dalam tanki air yang sangat banyak. Gas panas hasil pembakaran keluar dari ruang bakar yang berada di tengah-tengah tanki air, menuju pipa-pipa api yang ada di samping ruang bakar dengan arah aliran berlawanan. Selanjutnya gas buang kembali mengalir ke pipa-pipa api di sisi atas dengan arah aliran yang searah dengan arah pembakaran di ruang bakar. Singkat cerita aliran gas pembakaran di dalam pipa-pipa api tersebut seakan membentuk huruf S.

      Scotch Marine Boiler



    • Boiler Pipa-api Vertikal
      Boiler pipa-api dengan yang tersusun atas pipa-pipa api vertikal disebut sebagai boiler pipa-api vertikal. Boiler tipe ini memiliki kelebihan desain dan proses pembuatan yang tidak terlalu rumit. Ruang bakar berada di bawah tanki air, dengan pipa-pipa untuk saluran gas buang yang tersusun vertikal di dalam tanki air.

      Vertical Fire-Tube Boiler

    • Boiler Horizontal Return Tubular
      Boiler Horizontal Return Tubular mirip dengan boiler-boiler pipa api lain yang telah kita bahas. Memiliki susunan pipa-pipa api mendatar. Yang sedikit berbeda adalah desain penempatan ruang bakar yang tidak berada di dalam tanki air, namun berada di bawah tanki. Pipa-pipa api yang ada di dalam tanki hanya akan dilewati oleh gas buang panas hasil pembakaran bahan bakar di ruang bakar tersebut.

      Horizontal Return Tubular Boiler

    • Admiralty-type direct tube boiler
      Boiler pipa-api ini tidak populer dan tidak digunakan banyak pihak sejak kemunculannya di era kapal perang Ironclad di pertengahan abad 19. Satu hal yang membuatnya tidak populer adalah desain pipa-api yang terhubung langsung dengan ruang bakar sehingga sering terjadi over-heat pada pipa tersebut.

      Admiralty-type direct tube boiler

      Admiralty-type direct tube boiler
      Admiralty-type direct tube boiler (Sumber: Marine Boilers)


    • Immersion Fired Boiler
      Boiler pipa-api terakhir ini memiliki satu ciri khas yang tidak dimiliki oleh boiler-boiler pipa-api lainnya. Boiler yang dikembangkan oleh pabrikan Sellers Manufacturing ini didesain agar tiap-tiap pipa-api yang ada di dalam tanki air berfungsi sebagai ruang bakar sekaligus juga saluran gas buang panas hasil pembakaran. Sehingga boiler ini memiliki banyak burner (alat pembakar) dengan jumlah yang sama dengan jumlah pipa-api yang ada. Dengan desain boiler yang otomatis hanya cocok menggunakan bahan bakar cair atau gas ini, diklaim memiliki tegangan temperatur yang relatif rendah. Boiler ini masih dipasarkan hingga saat ini oleh pabrikan Sellers Manufacturing selaku pemilik desain patennya.

      Immersion Fired Boiler

  2. Boiler Pipa-Air (Water-Tube Boiler)
    Boiler pipa-air memiliki desain berkebalikan dengan boiler pipa-api. Boiler ini mensirkulasikan air melewati saluran-saluran pipa dengan sumber panas berasal dari ruang bakar (furnace). Sebuah tanki air yang biasa disebut dengan steam drum, menjadi salah satu karakteristik boiler pipa-air. Steam drum berfungsi sebagai tanki air yang dijaga levelnya untuk memastikan selalu ada air tersirkulasi ke pipa-pipa air. Selain itu steam drum juga berfungsi untuk memisahkan uap air basah dengan air. Uap air basah yang keluar dari steam drum biasanya akan dipanaskan lebih lanjut untuk menghasilkan uap panas lanjut (superheated steam).

    Boiler Pipa-Air

    Desain boiler pipa-air yang populer dilengkapi dengan pipa-pipa air yang didesain menjadi dinding ruang bakar (wall-tube). Air dari steam drum turun melewati pipa bernama downcomer ke sebuah pipa header yang terhubung dengan semua ujung bawah pipa wall-tube. Ujung wall-tube yang lain yang berada di bagian atas ruang bakar terhubung langsung dengan steam drum. Di bagian wall-tube inilah terjadi perubahan fase dari air menjadi uap air. Sistem pipa-air ini menghasilkan sirkulasi air tertutup antara steam drum-downcomer-wall-tube- dan kembali ke steam drum. Dari steam drum hanya uap air basah saja yang akan keluar.

    Boiler pipa-air sekalipun memiliki desain yang sedikit lebih kompleks daripada boiler pipa-api, namun boiler pipa-air cenderung lebih mampu menghasilkan kualitas uap air yang lebih tinggi (lebih superheated). Oleh karena itulah boiler pipa-air lebih cocok diaplikasikan pada industri-industri besar yang lebih menuntut kualitas uap air tinggi seperti pembangkit listrik tenaga uap.

    Berdasarkan desain yang berbeda-beda boiler pipa-air dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

    • Boiler Tipe-D
      Tipe boiler pipa-air pertama yang akan kita bahas dinamakan dengan tipe-D karena memang bentuk dari boiler ini mirip dengan huruf D. Boiler ini dilengkapi dengan dua tanki yakni steam drum di sisi atas dan mud drum (tanki air) di sisi bawah. Kedua tanki ini dihubungkan dengan banyak pipa-pipa air yang sebagian tersusun vertikal, dan sebagian lain tersusun membentuk huruf D. Di tengah-tengah pipa-pipa berbentuk huruf D ini berfungsi sebagai ruang bakar.

      D-Type Boiler
      D-Type Boiler

    • Boiler Tipe-A
      Masih karena desain yang mirip dengan bentuk salah satu huruf latin, boiler tipe-A dinamakan demikian memang karena desainnya yang mirip dengan huruf A. Boiler ini memiliki satu steam drum namun dengan dua tanki air di bawah. Tujuan dari digunakannya dua tanki air ini adalah untuk lebih memperpanjang umur boiler karena pipa-air akan berusia lebih panjang daripada desain tipe-D. Boiler ini memiliki desain lebih ramping daripada boiler tipe-D, namun demikian boiler tipe-A tidak bisa menghasilkan uap air berkandungan energi lebih tinggi daripada tipe-D untuk dimensi yang sama.



      Type-A Boiler

      (Credit: Wikipedia: Package Boiler)

    • Boiler Tipe-O
      Boiler tipe-O menjadi tipe boiler pipa-air terakhir yang desainnya mirip dengan salah satu huruf. Boiler yang berbentuk mirip huruf O ini memiliki bentuk simetris dengan posisi steam drum di atas dan tanki air di bawah. Keduanya terhubung dengan pipa-pipa air berbentuk simetris sehingga di tengah-tengahnya menjadi ruang bakar boiler. Boiler tipe-O ini diklaim mampu menghasilkan uap air lebih cepat ketimbang tipe-D. Rendahnya kebutuhan perawatan juga menjadi keunggulan lain dari boiler ini.

      O-Type Boiler

    • Boiler Babcock & Wilcox
      Sesuai dengan namanya, boiler Babcock & Wilcox dikembangkan oleh sebuah firma dengan nama yang sama dengan boiler tersebut. Desain boiler ini dikembangkan dan dipatenkan di pertengahan abad kesembilanbelas. Boiler ini hanya memiliki satu tanki yakni steam drum yang diposisikan di bagian atas boiler. Steam drum tersebut sebagian berisi air dan sebagian yang lain berisi uap air basah. Desain khas dari boiler ini adalah pipa-pipa air yang didesain berbentuk miring membentuk sudut 15°. Kemiringan ini berfungsi untuk memastikan terjadinya sirkulasi natural dari fluida air-uap air di dalam boiler. Di atas pipa-pipa air tersebut dibuat pula ada pipa uap panas lanjut yang berfungsi untuk memanaskan lebih lanjut uap air yang telah cukup panas dan lolos dari steam drum untuk lebih lanjut dipanaskan hingga mencapai kualitas superheated. Untuk aliran gas pembakaran pada boiler ini dibuat berliku-liku sehingga memaksimalkan penyerapan panas dari gas buang ke fluida air.


      Babcock & Wilcox Boiler

      (Credit: Mech4Study)

    • Boiler Stirling
      Boiler Stirling menjadi salah satu pendahulu boiler pipa-air. Boiler ini populer digunakan di era awal tahun 1900-an, dan sudah sangat sulit ditemukan saat ini. Boiler ini memiliki kharakteristik digunakannya dua macam tanki air yakni tanki steam drum di bagian atas dengan jumlah yang selalu lebih banyak daripada tanki kedua yakni tanki air yang ada di bagian bawah boiler. Kharakteristik desain tersebut membuat Boiler Stirling dapat diklasifikasikan berdasarkan jumlah tanki air, yaitu tiga tanki dengan dua steam drum dan satu tanki air, empat tanki dengan tiga steam drum dan satu tanki air, serta lima tanki berupa tiga steam drum di bagian atas dan dua tanki air di bagian bawah boiler. Semakin banyak jumlah tanki, menandakan kemampuan memproduksi uap air yang semakin tinggi. Namun demikian boiler ini sudah kuno dan tidak digunakan lagi karena memiliki nilai efisiensi yang relatif lebih rendah daripada boiler-boiler modern.

      Three Drum Stirling Boiler

      Boiler Stirling Tiga Tanki
      (Credit: Wikipedia: Stirling Boiler)

      Four Drum Stirling Boiler

      Boiler Stirling Empat Tanki



      Five Drum Stirling Boiler

      Boiler Stirling Lima Tanki

    • Boiler Yarrow
      Boiler Yarrow menjadi jenis penting dari boiler pipa air bertekanan tinggi. Mereka dikembangkan oleh Yarrow & Co. (London), dan banyak digunakan di kapal, terutama kapal perang.

      Desain boiler Yarrow memiliki karakteristik ketel dengan tiga tanki air: dua tabung air lurus disusun dalam barisan segitiga dengan tungku tunggal di antara keduanya. Drum uap tunggal dipasang di bagian atas di antara mereka, dengan drum air yang lebih kecil di dasar masing-masing bank. Sirkulasi, baik ke atas maupun ke bawah, terjadi di dalam tabung bank yang sama ini. Keistimewaan Yarrow adalah penggunaan tabung lurus dan juga sirkulasi di kedua arah yang terjadi seluruhnya di dalam bank tabung, dan tidak menggunakan energi eksternal atau biasa kita kenal dengan sirkulasi natural.


      (Credit: Wikipedia: Yarrow Boiler)

      Karena karakteristik tiga drumnya, boiler Yarrow memiliki kapasitas air yang lebih besar. Makanya, jenis ini lazim digunakan pada aplikasi boiler kapal perang tua. Ukurannya yang ringkas membuatnya menarik untuk digunakan dalam unit pembangkit listrik yang dapat diangkut selama Perang Dunia II. Agar dapat diangkut pada jamannya, boiler dan peralatan tambahannya (pemanas bahan bakar minyak, unit pemompaan, kipas angin dll), turbin, dan kondensor dipasang pada gerbong tersendiri untuk dibawa melalui jalur rel kereta api.

    • Boiler Thornycroft
      Boiler ini didesain oleh pabrik kapal John I. Thornycroft & Company. Desain khusus boiler ini adalah menggunakan satu saja steam drum di sisi atas, dengan tiga buah downcomer sehingga tersusun mirip dengan boiler formasi M. Namun karena desain beberapa pipanya yang memiliki tekukan tajam, membuatnya beresiko cepat bocor tak hanya karena kemungkinan terjadinya thermal stress, namun juga karena kesulitan tersendiri saat butuh dibersihkan. Oleh karena beberapa kelemahan inilah membuat boiler ini tidak sepopuler Boiler Yarrow.

Macam-macam boiler berdasarkan metode sirkulasi air
Pada boiler pipa air, sirkulasi air di dalam pipa-pipa boiler menjadi penting untuk diperhatikan. Selain sirkulasi air boiler yang baik akan meningkatkan efisiensi boiler, perputaran air juga penting untuk menjaga keawetan boiler. Hal tersebut mengingat air di dalam boiler juga berfungsi sebagai media pendingin, keterlambatan sedikit saja air untuk bersirkulasi, akan mengakibatkan pipa air mengalami tegangan termal tinggi. Tentu saja hal tersebut sangat dihindari.

Atas latar belakang tersebut, dikenal ada dua jenis boiler berdasarkan cara air di dalamnya tersirkulasi. Berikut adalah keduanya:

  1. Boiler dengan sirkulasi air natural (natural circulation boiler)
    Boiler dengan sirkulasi air natural tidak menggunakan energi luar untuk menyirkulasikan air di dalam pipa-pipa boiler. Air di dalam boiler ini tersirkulasi secara alami akibat adanya perbedaan tekanan antara air bertemperatur rendah dengan yang bertemperatur tinggi. Secara alami air bertemperatur tinggi akan memiliki massa jenis yang relatif lebih rendah. Oleh karena itulah air yang semakin panas dan semakin berubah fase menjadi uap, akan semakin terdorong ke atas. Karena proses inilah maka air di dalam pipa-pipa boiler akan tersirkulasi.



    Boiler-boiler dengan sirkulasi natural antara lain adalah boiler Babcock & Wilcox, boiler Lancashire, Cochran, boiler lokomotif, dan lain sebagainya.

  2. Perbedaan Boiler Sirkulasi Natural dan Paksa
    (Credit: Wikipedia: Forced Circulation Boiler)
  3. Boiler dengan sirkulasi air paksa (forced circulation boiler)
    Boiler dengan sirkulasi paksa, menggunakan bantuan pompa tambahan untuk membantu terjadinya sirkulasi air di dalam boiler. Boiler tipe ini tidak perlu menunggu diferensiasi fase air untuk dapat mensirkulasi air di dalamnya. Dengan adanya bantuan energi luar untuk proses sirkulasi air tersebut, maka proses mengenerasi uap air tidak akan dibatasi oleh ukuran dari boiler. Jika disandingkan, boiler dengan sirkulasi paksa mampu menghasilkan uap air dua puluh kali lebih banyak daripada boiler sirkulasi natural yang memiliki ukuran volume sama.

    Contoh dari boiler sirkulasi paksa antara lain adalah boiler Benson, boiler La Mont, boiler Velox, dan lain sebagainya.



Macam-macam boiler berdasarkan tekanan kerjanya
Sesuai dengan kemajuan teknologi, kualitas tekanan uap air keluaran boiler juga terus mengalami perbaikan. Para perancang bangun boiler percaya bahwa semakin tinggi tekanan uap air dapat dicapai boiler, maka akan semakin tinggi pula efisiensi boiler. Maka berikut adalah macam-macam boiler berdasarkan tekanan uap air keluarannya:

  1. Low-pressure boiler: Boiler ini menghasilkan uap air bertekanan 15-20 bar saja.
  2. Medium-pressure boiler: Boiler ini menghasilkan uap air dari 20 hingga 80 bar.
  3. High-pressure boiler: Boiler ini menghasilkan tekanan uap air di atas 80 bar.
  4. Sub-critical boiler: Titik kritis boiler adalah sebuah kondisi dimana uap air boiler mencapai suhu 560°C pada tekanan 221 bar. Jika sebuah boiler bekerja di bawah kondisi tersebut, maka boiler tersebut dinamakan boiler subcritical. Lazimnya boiler subcritical didesain bekerja di tekanan 160 bar dan temperatur uap 540°C.
  5. Supercritical boiler: Jika sebuah boiler bekerja di atas titik kritisnya, maka boiler tersebut disebut dengan boiler supercritical. Boiler supercritical memiliki tingkat efisiensi bahan bakar yang lebih baik daripada boiler subcritical. Boiler supercritical memiliki nilai efisensi desain sekitar 45%. Sedangkan boiler subcritical hanya mampu mencapai angka 38%.

    Hal ini diakibatkan oleh tidak dimungkinkan terbentuk gelembung-gelembung uap air pada siklus boiler supercritical. Akibat dari tekanan kerja dan temperatur yang berada di atas titik kritisnya, maka air tidak akan mengalami fase nucleate boiling (fase peralihan dari cair ke uap) dan langsung berubah fase seketika menjadi uap. Satu ciri dari boiler supercritical adalah tidak digunakannya komponen steam drum yang berfungsi untuk memisahkan air dengan uap air basah.

  6. Ultra Supercritical boiler:
    Titik kerja boiler yang semakin jauh tinggi di atas titik kritis, maka boiler tersebut akan semakin efisien. Untuk mencapainya dibutuhkan teknologi material pipa-pipa boiler yang lebih canggih dan mahal. Beberapa dekade terakhir telah dimungkinkan pembuatan material yang dimaksud, sehingga saat ini desain boiler sudah mampu mencapai titik kerja sangat jauh di atas titik kritisnya. Boiler yang kita kenal dengan istilah Ultra Supercritical ini (disingkat USC) memiliki titik operasional sekitar 260 bar dan temperatur 700°C. Boiler modern ini memiliki nilai efisiensi teoritis mencapai 50%.

Macam-macam boiler berdasarkan sumber energinya



Sesuai dengan kemajuan teknologi pula, sekarang ini sudah begitu banyak sumber energi yang bisa digunakan sebagai sumber panas boiler. Boiler yang dikembangkan pada awal sejarahnya hanya menggunakan bahan bakar fosil, sekrang sudah ada beberapa teknologi yang bisa menggunakan energi terbarukan. Berikut adalah di antaranya:

  1. Boiler Batubara

    Batubara menjadi bahan bakar paling umum digunakan pada boiler berkapasitas besar, termasuk di Indonesia. Harganya yang murah, melimpah (terutama di negara-negara penghasil batubara termasuk Indonesia), nilai kalor yang tinggi, menjadi sederet alasan digunakannya batubara sebagai bahan bakar boiler hingga saat ini.

    Penggunaan batubara sebagai bahan bakar boiler membutuhkan perlakuan khusus yang tidak dilakukan pada jenis boiler lainnya. Ciri khas batubara yang padat, berukuran rata-rata sebesar kepalan tangan Anda, memerlukan proses penghalusan sebelum ia dibakar di dalam ruang bakar boiler. Tentu saja hal ini bertujuan utama untuk mempermudah terbakarnya batubara tersebut.

    Tak hanya itu, proses pengolahan gas buang boiler batubara juga berbeda dengan boiler yang lain. Gas buang boiler ini banyak mengandung abu, karbon dioksida, sulfur, hingga NOx. Beberapa proses pengikatan limbah-limbah tersebut juga perlu diperhatikan. Seperti penggunaan Electrostatic Precipitator untuk mengikat abu (baca artikel berikut), lalu penggunaan Flue-Gas Desulphurization untuk mengikat sulfur, hingga penggunaan teknologi pembakaran bertingkat (staggered combustion) untuk meminimalisir terbentuknya NOx.

    Kompleksnya desain boiler batubara, membuat keekonomisan boiler ini tidak sebaik boiler berbahan bakar minyak jika digunakan untuk skala kecil. Maka dari itu boiler batubara lebih banyak digunakan untuk skala produksi subcritical hingga ultra-supercritical.

  2. Boiler Minyak

    Boiler berbahan bakar minyak cukup populer digunakan untuk skala kecil saja. Hal ini disebabkan karena desain yang jauh lebih sederhana ketimbang boiler batubara. Boiler ini umumnya bertipe pipa-api, yang hanya membutuhkan komponen utama burner dan jaringan pipa-pipa untuk aliran api (gas panas) yang dibuat berada di dalam tungku air.

    Boiler ini umumnya menggunakan bahan bakar solar, atau yang biasa juga dikenal dengan High Speed Diesel (HSD). Desainnya yang sederhana membuat boiler ini sangat cocok digunakan untuk produksi uap air bertekanan rendah dengan kapasitas produksi uap yang rendah pula.

  3. Boiler Nuklir


    Sesuai namanya, boiler nuklir menggunakan teknologi nuklir sebagai sumber energi panas. Boiler ini sangat populer digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir. Pada boiler tenaga nuklir, energi panas dari reaksi fisi di dalam reaktor nuklir diserap oleh material pendingin (coolant) yang dapat berupa gas, cair, atau bahkan logam cair, tergantung dari jenis reaktornya. Material pendingin inilah yang selanjutnya mengalir ke boiler dan digunakan untuk memanaskan air sehingga berubah fase menjadi uap panas lanjut. Uap yang dihasilkan inilah yang dialirkan ke turbin-generator untuk membangkitkan listrik pada pembangkit listrik tenaga nuklir.

    Bahan baku reaktor nuklir yang populer adalah Uranium. Uranium merupakan jenis logam berat yang tidak banyak bermanfaat di Bumi dan mudah ditemukan di lautan maupun batuan. Ada dua jenis uranium dengan isotop yang berbeda yang kita kenal, yaitu uranium-238 (U-238) dan uranium-235 (U-235). Dua jenis uranium ini memiliki perbedaan utama pada umur reaktifnya. U-238 memiliki umur reaktif yang lebih panjang daripada U-235, yang demikian ini menunjukkan pula jika U-235 lebih tidak radioaktif ketimbang U-238.

    Kubah Reaktor Nuklir

    Satu risiko utama penggunaan reaktor nuklir tentu saja adalah bahaya radioaktif. Oleh karena itulah reaktor nuklir selalu dibuat di dalam sebuah kubah yang berfungsi untuk mencegah kebocoran radioaktif reaktor. Umumnya bagian luar reaktor nuklir dibuat berbentuk dome dengan bahan cor konkrit kuat yang tidak hanya berfungsi untuk mencegah kebocoran radioaktif, tapi juga untuk menahan gangguan alam dari luar.

  4. Boiler Tenaga Surya

    Boiler yang akan kita bahas berikut termasuk teknologi yang sangat baru. Boiler ini menggunakan sumber energi dari sinar matahari yang sangat terbarukan. Namun demikian, karena sinar matahari hanya ada di siang hari saja, maka boiler ini hanya bisa dioperasikan pada siang hari saja.

    Boiler tenaga surya menggunakan komponen utama berupa sejumlah banyak cermin yang disusun mengelilingi sebuah menara penangkap panas. Cermin-cermin diposisikan sedemikian rupa sehingga pantulan sinar matahari yang ditangkap oleh masing-masing cermin tersebut terpantulkan secara terpusat ke menara penangkap panas. Masing-masing komponen cermin dilengkapi sebuah mekanisme otomatis, sehingga ia dapat bergerak mengikuti sumber sinar matahari, sehingga arah pantulan panas selalu mengarah ke menara penangkap panas.

    Sebuah mekanisme khusus digunakan untuk mengalirkan air ke menara penangkap panas. Diperkirakan panas yang tertangkap di menara ini dapat mencapai 1500 kali lebih panas dari apa yang biasa kita rasakan. Panas tersebut cukup untuk mendidihkan air untuk mencapai fase uap panas lanjut. Pada pembangkit listrik tenaga surya, uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar turbin uap dan menghasilkan listrik.

    Pembangkit listrik yang sudah menggunakan teknologi ini banyak dibangun di Spanyol, Amerika Serikat, Afrika Selatan, India, dan sedikit di Cina.

  5. Boiler Tenaga Sampah

    Boiler tenaga sampah menjadi solusi paling ramah lingkungan terhadap dua permasalahan sekaligus: sampah dan krisis energi fosil. Produksi sampah yang terus-menerus meningkat setiap waktunya menjadi salah satu sumber energi yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar boiler.

    Boiler berbahan bakar sampah tidak jauh berbeda dengan boiler biomass lainnya. Pertama-tama sampah yang didatangkan dipilah-pilah untuk menyingkirkan sampah mampu daur ulang dan material-material berbahaya. Kemudian sampah yang sudah bersih ditampung terlebih dahulu sebelum menunggu giliran untuk dibakar. Beberapa pabrik menggunakN proses gasifikasi, namun lebih banyak yang langsung menggunakan sampah yang ada karena lebih menghemat biaya proses. Kemudian sampah dapat dimasukkan ke proses pembakaran di boiler secara bagian-perbagian, atau kontinyu tergantung dari desain boiler.

    Diketahui boiler berbahan bakar sampah memiliki tingkat emisi yang lebih bersahabat ketimbang boiler batubara. Hal ini dikarenakan tidak terbentuknya polutan sulfur seperti yang terkandung dalam batubara.

    Sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Sampah terbesar di dunia akan dibangun di Shenzhen, Cina

    Pembangkit listrik tenaga sampah sudah digunakan lebih dari dua dekade di Swedia. Dan kini sudah banyak dibangun di Cina, Amerika Serikat, dan banyak negara lainnya.

Pengertian Boiler Pipa-Air

Pengertian boiler pipa-air adalah boiler dengan pipa-pipa berisikan air tersirkulasi, yang dipanaskan oleh api di sisi luar pipa. Boiler pipa-air memiliki desain berkebalikan dengan boiler pipa-api. Boiler ini mensirkulasikan air melewati saluran-saluran pipa dengan sumber panas berasal dari ruang bakar (furnace). Pipa-pipa yang menjadi saluran sirkulasi air-uap air ini, berada di dalam selimut api ruang bakar hingga saluran gas panas hasil pembakaran. Pada boiler-boiler pipa-air modern dengan beban produksi besar, ada beberapa bagian pipa-pipa air yang didesain menjadi dinding dari ruang bakar boiler. Pipa-pipa tersebut biasa kita kenal dengan istilah wall-tube.

Pengertian Boiler Pipa-Air
Boiler Pipa-Air Sederhana

Sebuah tanki air yang biasa disebut dengan steam drum, menjadi salah satu karakteristik boiler pipa-air. Steam drum berfungsi sebagai tanki air yang dijaga levelnya untuk memastikan selalu ada air tersirkulasi ke pipa-pipa air. Selain itu steam drum juga berfungsi untuk memisahkan uap air basah dengan air. Uap air basah yang keluar dari steam drum biasanya akan dipanaskan lebih lanjut untuk menghasilkan uap panas lanjut (superheated steam).

Desain boiler pipa-air modern, dilengkapi dengan pipa-pipa air yang didesain menjadi dinding ruang bakar (wall-tube). Air dari steam drum turun melewati pipa bernama downcomer ke sebuah pipa header yang terhubung dengan semua ujung bawah pipa wall-tube. Ujung wall-tube yang lain yang berada di bagian atas ruang bakar terhubung langsung dengan steam drum. Di bagian wall-tube inilah terjadi perubahan fase dari air menjadi uap air. Sistem pipa-air ini menghasilkan sirkulasi air tertutup antara steam drum-downcomer-wall-tube- dan kembali ke steam drum. Dari steam drum hanya uap air basah saja yang akan keluar. Pada boiler superheater, uap air basah keluaran steam drum akan dipanaskan lebih lanjut menjadi superheated steam (uap panas lanjut/kering).

Pengertian Boiler Pipa-Air
Desain Boiler Pipa-Air Superheater Modern

Boiler pipa-air sekalipun memiliki desain yang sedikit lebih kompleks daripada boiler pipa-api, namun boiler pipa-air cenderung lebih mampu menghasilkan kualitas uap air yang lebih tinggi (lebih superheated), serta kapasitas yang jauh lebih besar. Oleh karena itulah boiler pipa-air lebih cocok diaplikasikan pada industri-industri besar yang lebih menuntut kuantitas, sekaligus kualitas uap air tinggi seperti pembangkit listrik tenaga uap.

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