How to Calculate Boiler Efficiency

Boiler efficiency is a quantity that indicates the relationship between input energy entering the boiler with output energy produced by the boiler. However, the efficiency of the boiler can be defined in three ways:

  1. Combustion Efficiency
  2. Thermal Efficiency
  3. Fuel-Efficiency Steam (Fuel-to-Steam)

Combustion boiler efficiency generally describes the ability of a burner to burn the entire fuel into the boiler combustion chamber (furnace). The efficiency of this type is calculated from the amount of fuel that does not burn along with the amount of air combustion air (air excess). Burning boiler can be said to be efficient if there is no remaining fuel in the end outlet of boiler combustion chamber, so does the number of residual air.
To obtain high combustion efficiency, burner and boiler combustion chamber must be designed as optimal as possible. On the other hand differences in the use of fuels also affect the efficiency of combustion. It is known that liquid fuel and gas (LNG and HSD) produce higher combustion efficiency than solid fuels such as coal.

boiler efficiency

Calculating the combustion efficiency of the boiler is not difficult, we just need to reduce the total amount of heat energy released by thermal energy burning that passes out through the stack (chimney) divided by the total heat energy.

      \eta_{combustion}=\dfrac {Q_{in}-Q_{losses}}{Q_{in}}\times100\%

Where:

      \eta_{combustion} : boiler combustion efficiency (%)

      Q_{in} : The total heat of combustion energy (calories; Joule)

      Q_{losses} : Heat energy passing out through the chimney (calories; Joule)

The only difficult thing in calculating the combustion efficiency is how to pursuit the optimal number. Combustion efficiency is characterized by the overall fuel burning in the combustion chamber. While the control parameters are used to ensure the overall fuel burning, is the amount of air combustion (air excess) coming out through the stack. The more the amount of air excess coming out through the chimney, then the more likely the amount of unburned fuel can pass through the chimney. But you should remember that the more the amount of excess water passing through the chimney, the amount of heat energy escaping the rest of airborne is also growing. Therefore there is an optimum number of excess amounts of air, so that the boiler combustion efficiency can obtain the most optimal number.

 photo IMG_2264.png

Appears in the graph illustration above that the higher the amount of air (oxygen) passing through the stack, the smaller amount of fuel including carbon monoxide burned imperfectly. But as we have discussed above, the higher the amount of air excess, so the combustion efficiency chart is going to go back down, since the heat energy was coming away with the rest of the air. Then certainly there is an optimum value of the air excess to obtain the best combustion efficiency. As an illustration, the optimum value of air excess to the combustion of natural gas is 5 to 10%, liquid fuel at the rate of 5 to 20%, and 15 to 60% for coal combustion.

Boiler thermal efficiency shows how the performance in terms of its function as a heat exchanger. The efficiency calculation will show how effective the transfer of heat energy from the combustion process of fuel into the air. However, the efficiency calculation is not very accurate, because it does not account for the loss of heat radiation and convection that are not absorbed by water. In addition, the calculation of the thermal efficiency of the boiler cannot be used for economic analysis, because these calculation doesn’t take notice carefully the amount of fuel consumed. On this basis we will not discuss more about the calculation of the thermal efficiency of the boiler.

Cara Menghitung Efisiensi Boiler

Efisiensi boiler adalah sebuah besaran yang menunjukkan hubungan antara supply energi masuk ke dalam boiler dengan energi keluaran yang dihasilkan oleh boiler. Namun demikian, efisiensi pada boiler dapat didefinisikan ke dalam tiga cara yaitu:

  1. Efisiensi Pembakaran
  2. Efisiensi Termal
  3. Efisiensi Bahan Bakar-Uap Air (Fuel-to-Steam)

Efisiensi Pembakaran Boiler secara umum menjelaskan kemampuan sebuah burner untuk membakar keseluruhan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar (furnace) boiler. Efisiensi tipe ini dihitung dari jumlah bahan bakar yang tidak terbakar bersamaan dengan jumlah udara sisa pembakaran (excess air). Pembakaran boiler dapat dikatakan efisien apabila tidak ada bahan bakar yang tersisa di ujung keluaran ruang bakar boiler, begitu pula dengan jumlah udara sisa.
boiler efficiency

Untuk mendapatkan efisiensi pembakaran yang tinggi, burner dan ruang bakar boiler harus didesain seoptimum mungkin. Di sisi lain perbedaan penggunaan jenis bahan bakar juga mempengaruhi efisiensi pembakaran. Diketahui bahwa bahan bakar cair dan gas (seperti LNG dan HSD) menghasilkan efisiensi pembakaran yang lebih tinggi jika dibandingkan bahan bakar padat seperti batubara.

Menghitung efisiensi pembakaran boiler tidaklah sulit, kita hanya perlu mengurangi jumlah total energi panas yang dilepas oleh pembakaran dengan energi panas yang lolos melewati stack (cerobong asap), dibagi dengan total energi panas.
      \eta_{combustion}=\dfrac {Q_{in}-Q_{losses}}{Q_{in}}\times100\%
dimana,
      \eta_{combustion} : Efisiensi pembakaran boiler (%)
      Q_{in} : Energi panas total hasil pembakaran (kalori; Joule)
      Q_{losses} : Energi panas lolos melewati cerobong asap (kalori; Joule)

Satu-satunya yang sulit dari efisiensi pembakaran adalah bagaimana mengejar angka yang paling optimal. Efisiensi pembakaran ditandai dengan terbakarnya keseluruhan bahan bakar di ruang bakar. Sedangkan parameter kontrol yang digunakan untuk memastikan keseluruhan bahan bakar terbakar, adalah jumlah udara sisa pembakaran (excess air) yang keluar melalui stack. Semakin banyak jumlah excess air yang keluar melewati cerobong asap, maka semakin kecil pula kemungkinan jumlah bahan bakar yang belum terbakar bisa melewati cerobong asap. Namun juga, semakin banyak jumlah excess air yang lolos melewati cerobong asap, jumlah energi panas yang lolos terbawa oleh udara sisa tersebut juga semakin banyak. Maka dari itu ada angka optimum dari besaran excess air, sehingga didapatkan efisiensi pembakaran boiler yang paling optimal.

 photo IMG_2264.png

 

Nampak pada ilustrasi grafik di atas bahwa semakin tinggi jumlah udara (oksigen) yang lolos melewati stack, maka akan semakin kecil jumlah bahan bakar termasuk karbon monoksida yang belum terbakar sempurna. Namun juga seperti yang telah kita bahas di atas, semakin tinggi jumlah excess air maka grafik efisiensi pembakaran kembali turun, tidak lain hal ini dikarenakan energi panas yang ikut lolos dengan udara sisa tersebut. Maka dapat dipastikan ada nilai paling optimum dari excess air sehingga didapatkan efisiensi pembakaran paling baik. Sebagai gambaran saja, nilai excess air optimum untuk pembakaran gas alam adalah 5 hingga 10%, bahan bakar cair di angka 5 hingga 20%, dan 15 hingga 60% untuk pembakaran batubara.

Efisiensi Termal Boiler menunjukkan bagaimana performa boiler dalam hal fungsinya sebagai heat exchanger. Perhitungan efisiensi ini akan menunjukkan seefektif apa perpindahan energi panas dari proses pembakaran bahan bakar ke air. Namun perhitungan efisiensi ini tidak terlalu akurat, karena ia tidak memperhitungkan kerugian panas radiasi maupun konveksi yang tidak terserap oleh air. Selain itu, perhitungan efisiensi termal boiler tidak bisa digunakan untuk analisa ekonomis, sebab perhitungan ini tidak memperhatikan secara teliti jumlah bahan bakar yang dikonsumsi. Atas dasar inilah kita tidak akan membahas lebih dalam mengenai perhitungan efisiensi termal boiler.

Prinsip Kerja Boiler

Seperti yang telah kita bahas pada artikel sebelumnya, boiler adalah sebuah wadah tertutup berisi air atau fluida lain untuk dipanaskan. Sekalipun sebuah boiler tidak harus berfungsi untuk mendidihkan fluida, namun kita lebih familiar dengan boiler yang berfungsi untuk mendidihkan air sehingga memproduksi uap air. Sehingga pada umumnya kita lebih memahami bahwa boiler adalah sebuah alat untuk memproduksi uap air.

20140622-103716 AM-38236673.jpg

Ilustrasi Sederhana Boiler
(Sumber)

Prinsip kerja boiler sebenarnya cukup sederhana sama seperti pada saat kita sedang mendidihkan air menggunakan panci. Proses pendidihan air tersebut akan selalu diiringi proses perpindahan panas yang melibatkan bahan bakar, udara, material wadah air, serta air itu sendiri. Proses perpindahan panas ini mencakup tiga jenis perpindahan panas yang sudah sangat kita kenal yakni konduksi, konveksi, dan radiasi.

20140623-012949 PM-48589971.jpg

Boiler Pipa Air Superheated
(Sumber)

Pada boiler pipa air di atas misalnya, sumber panas didapatkan dari pembakaran bahan bakar di dalam furnace. Energi panas ini sebagian akan terpancar secara radiasi ke pipa-pipa evaporator sehingga memanaskan pipa-pipa tersebut. Panas yang terserap oleh permukaan pipa akan secara konduksi berpindah ke sisi permukaan dalam pipa. Di dalam pipa, mengalir air yang terus-menerus menyerap panas tersebut. Proses penyebaran panas antar molekul air di dalam aliran ini terjadi secara konveksi. Perpindahan panas konveksi antar molekul air, seakan-akan menciptakan aliran fluida tersendiri terlepas dengan aliran air di dalam pipa-pipa boiler.

20121216-104318 PM.jpg

Proses Pembentukan Uap di Dalam Pipa Boiler

Gas hasil pembakaran yang mengandung energi panas akan terus mengalir mengikuti bentuk boiler hingga ke sisi keluaran. Di sepanjang perjalanan, panas yang terkandung di dalam gas buang akan diserap oleh permukaan tubing boiler dan diteruskan secara konduksi ke air di dalam pipa. Secara bertahap, air akan berubah fase menjadi uap basah (saturated steam) dan dapat berlanjut hingga menjadi uap kering (superheated steam).

20140626-103149 AM-37909095.jpg

Pipa-pipa Boiler
(Sumber)

Referensi dan eBook Gratis: