Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Prinsip Kerja Boiler Supercritical - Boiler supercritical sejatinya sudah populer sejak pertengahan abad 20 lalu. Sejak saat itu hingga sekarang, boiler ini sangat populer diaplikasikan pada pembangkit-pembangkit tenaga listrik, menggantikan boiler-boiler subcritical. Boiler supercritical memiliki beberapa keunggulan yang tidak dimiliki oleh boiler subcritical, yakni:

  1. Efisiensi boiler lebih tinggi karena untuk menghasilkan energi panas yang sama, dibutuhkan bahan bakar lebih sedikit daripada boiler subcritical.
  2. Emisi gas buang terutama karbon dioksida relatif lebih rendah daripada boiler subcritical.
  3. Ukuran boiler relatif lebih kecil daripada boiler subcritical dengan output yang sama.

Prinsip Kerja Boiler Supercritical
Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Satu konsep dasar dari boiler supercritical adalah tekanan dan temperatur kerjanya yang berada di atas critical point air. Jika Anda sudah memahami apa itu critical point (baca artikel berikut), maka tentu Anda juga tahu bahwa air yang berada di atas titik kritis memiliki sifat yang sangat berbeda dengan fasa yang lain. Fasa yang dikenal dangan air supercritical ini memiliki karakteristik yang tidak bisa dibedakan apakah air berfasa cair, ataukah gas (Baca juga artikel berikut tentang uap supercritical). Air supercritical tidak lagi memiliki titik didih, tidak lagi memiliki fasa uap saturasi, sehingga air bertekanan di atas 221 MPa jika terus dipanaskan hingga di atas 374°C akan langsung berubah fasa menjadi uap kritis, tanpa melewati fasa campuran antara air dan uap seperti pada boiler subcritical. Konsep inilah yang nantinya akan membuat beberapa komponen boiler supercritical sedikit berbeda dengan boiler subcritical.

Dari konsep di atas saja, sudah ada satu perbedaan mendasar antara boiler subcritical dengan boiler supercritical. Pada boiler subcritical sebelum air sepenuhnya berubah fase menjadi uap superheat, air akan melewati fase saturasi. Oleh karena itulah pada boiler subcritical dibutuhkan komponen steam drum yang berfungsi sebagai pemisah antara air likuid dengan uap saturasi yang bisa dipanaskan lebih lanjut menjadi uap superheated. Sedangkan terbentuknya uap air pada boiler supercritical tidak melewati fase uap saturasi, maka dapat dipastikan boiler supercritical tidak membutuhkan steam drum. Hal ini juga menjadi salah satu kelebihan ekonomis dari boiler supercritical.

Diagram h-P Boiler Supercritical Sliding Pressure
Diagram h-P Boiler Supercritical Sliding Pressure

Namun demikian, boiler supercritical tidak benar-benar meniadakan sistem separasi air likuid dengan uap. Pada kondisi awal penyalaan boiler, boiler masih bekerja pada tekanan di bawah titik kritis. Pada kondisi ini pemanasan air tentu akan menyentuh fase uap saturasi, sehingga dibutuhkan komponen separator uap. Untuk memastikan aliran air terus ada di dalam evaporator boiler selama tekanan kerja masih dibawah titik kritis, maka ditambahkan pula pompa sirkulasi boiler (baca artikel berikut). Secara bertahap, tekanan kerja akan ditingkatkan (sliding pressure) hingga mencapai tekanan ideal di atas titik kritis. Jika tekanan kerja air sudah di atas titik kritis (umumnya didesain beban boiler sudah lebih dari 30%), separator akan secara otomatis mengalirkan fluida langsung ke low temperature superheater, dan tidak lagi disirkulasikan kembali ke evaporator. Kerja pompa sirkulasi juga otomatis berhenti. Pada kondisi ini, boiler supercritical sepenuhnya mengalami proses aliran tunggal (once-through boiler flow). Dengan demikian, jumlah aliran air yang masuk ke boiler via economizer sepenuhnya dikontrol oleh boiler feed water pump.

Prinsip Kerja Boiler Supercritical

Jika kita cermati lagi, boiler supercritical akan mengalami dua macam sistem sirkulasi, yaitu:

  1. Mode basah (Wet-Mode). Mode basah terjadi ketika beban boiler masih di bawah 30%, atau dengan kata lain tekanan air masih di bawah titik kritis. Pada kondisi ini karena air masih akan mengalami fase saturasi, maka akan terjadi proses sirkulasi di dalam boiler sehingga mirip dengan yang terjadi pada boiler subcritical dimana jumlah sirkulasi air yang melewati evaporator boiler akan lebih banyak daripada jumlah uap air superheated yang dihasilkan. Jika mengacu pada contoh ilustrasi boiler di atas, maka aliran air akan seperti skema di bawah ini.Sirkulasi Boiler Supercritical saat Mode Basah Load Rendah
  2. Mode kering (Dry-Mode). Mode kering terjadi ketika beban boiler sudah di atas 30%, dan tekanan fluida sudah di atas critical point. Pada kondisi ini boiler tidak lagi akan melewati fase saturasi, sehingga separator dan pompa sirkulasi boiler akan berhenti bekerja. Boiler supercritical akan mengalami aliran fluida tunggal dalam artian semua air yang masuk ke boiler hanya akan satu kali melewati pipa-pipa boiler tanpa adanya porses resirkulasi melewati evaporator kembali. Skema aliran boiler supercritical akan menjadi seperti di bawah ini.Sirkulasi Boiler Supercritical saat Mode Kering Load Tinggi

Free E-book:

  1. E-book 1
  2. E-book 2

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.

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-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 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.



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%.