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 boilerSesusai 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 2500 kg/jam dengan tekanan maksimal 10 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. Entah di abad keberapa boiler ini mulai dikembangkan, akan tetapi saat ini boiler yang hanya mampu bekerja di tekanan maksimum 5 psi ini sudah sangat jarang di temui. Namun demikian, boiler Haystack menjadi cikal bakal dikembangkannya berbagai desain boiler baru hingga ditemukannya desain boiler pipa-api modern.
      Boiler Haystack

      (Credit: Steam Engines)

    • Centre-flue Boiler
      Pada perkembangan selanjutnya boiler mulai didesain lebih kompleks. Boiler centre-flue menjadi awal kelahiran boiler pipa-air, 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 BoilerBoiler 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-air 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.


    • 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.

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.

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.



One that is considered the most effective way to determine the performance of broiler more closely is to count Efficiency of Fuel-to-Steam (commonly referred to as Fuel Efficiency). In addition to considering the effectiveness of the boiler as a heat exchanger (thermal efficiency), the calculation of boiler’s fuel efficiency also notices losses due to radiation heat transfer and convection. The calculation of boiler’s fuel efficiency boiler should consider the consumption amount of fuel used, so it is very appropriate to be used as a point of boiler economic analysis.

Direct Method

There are two popular methods for calculating the fuel efficiency of the boiler; the direct method and the indirect one. The direct method, known as method of input-output, is done by comparing directly the heat energy absorbed by the water so that the change phase into a vapor (output energy) with the thermal energy generated by burning fuel in the boiler’s combustion chamber (input energy). Simple formulation of calculation using the direct method can be described as follows:

\eta_{fuel}=\dfrac {Q_{steam}}{Q_{fuel}}\times 100\%
=\dfrac {Q\times \left( h_{g}-h_{f}\right) }{q\times GCV}\times 100\%

Where:

\eta_{fuel} : Boiler Fuel Efficiency (%)

Q_{steam} : Total heat energy absorbed by water vapor (calories; Joule)

Q ​: Discharge of water vapor out of boiler (kg / h)

h_{g} ​: Steam enthalpy out of boiler (kcal/kg)

h_{g} ​: Water enthalpy entering boiler (kcal/kg)

Q_{fuel} ​: The heat energy produced by fuel burning (calories; Joule)

q : Debit of fuel requirement (kg/h)

GCV ​: Gross Calorific Value (kcal/kg)

In the direct method, there are some parameters that should be measured with precision in order to get an accurate calculation results. These parameters include:

  1. Water discharge (feedwater) into the boiler
  2. Water discharge desuperheater
  3. Overall secondary flow rate as boiler blowdown, auxiliary steam, and so forth.
  4. Pressure and temperature of the entire flow of a working fluid such as water entry, exiting steam superheater, entering and exiting reheater steam, auxiliary steam, and others.
  5. Debit fuel needs
  6. Calorific value (heating value) fuels
  7. Other incoming energy

The following table shows the advantages and disadvantages of the methods of direct and indirect in the calculation of Boiler Fuel Efficiency.

Advantages Disadvantages
Direct Method
The primary parameters of the definition of Boiler Fuel Efficiency (input-output) are calculated directly. Debit and fuel heating value, as well as debit and steam water properties, should be calculated as accurately as possible to minimize inaccuracies.
Only requires a little calculation. Not able to demonstrate the potential causes of inefficiency.
Does not require the value assumption of immeasurable loss. Must use indirect methods to assess the accuracy of the calculation.
Indirect Method
The primary calculations such as flue gas analyzer and exhaust gas temperature can be done very accurately. Requiring more calculations than the direct method.
Calculations correction can be done to pursue the existing standards or to the fulfillment of the warranty. Not able to provide the data capacity and output automatically.
Has a low level of uncertainty, because the calculation of the loss reflects only a small fraction of the total available energy conversion. Some loss points can’t be measured so that its value should be assumed.
Biggest loss source can be known.
Error calculation rate is relatively low.



Indirect Method

What is meant by the indirect calculation of Boiler Fuel Efficiency is a calculation that does not directly involve the formulation of the main components of the input and output boiler efficiency energy, but by calculating the losses that exist. Let us consider the following formula:

\eta_{fuel}=\dfrac {output}{input}\times 100\%

And if:

input + credits = output + losses

And then:

\eta_{fuel}=\left[ \dfrac {input-losses+credit}{input}\right] \times 100\%
=\left[ 1-\dfrac {\left( losses-credit\right) }{input}\right] \times 100\%

The definitions of inputs, credit, outputs, as well as the losses are in accordance with the following illustration which we have quoted from the standard book of ASME.

In accordance with the formula above, the calculation of the efficiency of indirect done by reverse the focus to the parameters of losses and credit energy. What meant by credit energy is secondary energies entering the boiler in addition to the primary energy of the fuel. While losses are parameters of wasted energy that are not converted into heat energy in the steam. Calculation instruction and measurement of these parameters are elaborated clearly through standardization issued by the American Society of Mechanical Engineers (ASME).

The indirect method is done with great detail on each measured parameter, so that the level of accuracy is considered much better than the direct method. But of course the indirect method requires a greater cost because it requires special equipment. For this reason many experts consider the indirect method is more suitable for use in large-scale boilers and certainly not very suitable used to calculate the efficiency of small boilers.

One parameter that should be taken into account in the both methods (direct and indirect) is the input energy from the fuel. In the indirect method, the input energy symbolized by the QrF is formulated as follows:

QrF = MrF \times HVF

Where:

MrF = The flow rate of input fuel (kg/s)

HVF = The heating value of fuel (J/kg)

The above formula looks identical to the formulation of the input energy in the calculation of the direct method’s efficiency. One important component coming into the formula above is the heating value of fuel. As we discussed in another article about the heating value, that there are two types of heating value, namely the higher heating value (HHV) and the lower heating value (LHV). Both are equally reflect the calorific value contained in the fuel, but both have a distinct difference in value. In most of the fuel, the HHV value tends to be bigger than the LHV. So if it is associated with the calculation of the efficiency of the boiler, the boiler efficiency value using HHV as a reference would be relatively small compared with the calculation of Boiler Fuel Efficiency using LHV as a reference.

References:

*Original article: Cara Menghitung Efisiensi Boiler
*Translated by: Todi

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.