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

Pengertian Reheater pada Boiler

Pengertian Reheater Pada Boiler - Reheater adalah salah satu bagian boiler yang berfungsi untuk memanaskan kembali uap air keluaran turbin uap tingkat pertama, sehingga kembali menjadi uap superheat. Uap reheat akan kembali menyimpan energi panas untuk digunakan pada turbin uap tingkat selanjutnya. Reheater menjadi salah satu cara untuk meningkatkan nilai efisiensi termal Siklus Rankine. Kunjungi artikel berikut untuk mengetahui cara-cara lain meningkatkan efisiensi termal Siklus Rankine.

Mari kita perhatikan diagram T-s Siklus Rankine berikut.

Siklus Rankine

Diagram T-s di atas adalah diagram Siklus Rankine ideal, standard, tanpa digunakannya konsep reheater. Uap superheat keluaran boiler hanya sekali aliran saja melewati sudu-sudu turbin, dan berakhir dengan proses kondensasi di kondensor. Selanjutnya mari kita bandingkan dengan Siklus Rankine dengan reheater.

Pengertian Reheater Pada Boiler

Siklus Rankine yang dilengkapi dengan reheater, akan memiliki minimal dua tingkatan turbin uap: turbin tekanan tinggi dan turbin tekanan rendah. Uap keluaran turbin tekanan tinggi, yang biasa dikenal dengan istilah uap cold reheat, memiliki tekanan dan temperatur yang lebih rendah daripada uap utama (main steam) sebelum masuk turbin. Sekalipun tekanan uap cold reheat cukup mengalami penurunan yang besar, namun masih belum mencapai titik saturasinya. Sehingga jika uap ini dipanaskan kembali, ia akan kembali menjadi uap superheated. Oleh karena itulah uap cold reheat yang keluar dari turbin tekanan tinggi selanjutnya dikembalikan ke boiler, untuk dipanaskan kembali.

Boiler modern yang dilengkapi dengan pipa-pipa reheater, didesain khusus sehingga uap reheater akan menyerap panas sama seperti uap main steam. Uap reheater, atau biasa disebut juga dengan uap hot reheat, akan mencapai temperatur yang sama dengan uap main steam. Untuk mencapai hal ini, pipa-pipa reheater akan ditempatkan tidak jauh dari pipa-pipa final superheater. Lebih jelasnya, mari kita simak diagram boiler supercritical berikut.

Boiler Supercritical

Nampak pada diagram boiler di atas, pipa-pipa superheater terbagi menjadi dua tahapan pemanasan. Pertama uap cold reheat akan melewati pipa-pipa Low Temperature Reheater, yang ditandai dengan nama "LTRH". Selanjutnya, uap keluaran LTRH menuju pipa-pipa bernama Final Reheater. Uap yang dihasilkan oleh Final Reheater inilah yang kemudian disebut dengan Hot Reheat. Hot Reheat selanjutnya menuju ke turbin uap tekanan rendah, sehingga energi panas yang terkandung di dalamnya dikonversikan menjadi energi mekanis putaran poros turbin.

Secara teoritis, penambahan penggunaan satu tahap reheater akan meningkatkan efisiensi termal siklus rankine sebesar 3-4%, penambahan dua tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 1,5-2%, penambahan tiga tahap reheater menaikkan efisiensi sebesar 0,75-1%, dan begitu seterusnya. Akan tetapi umumnya hanya dipergunakan satu atau maksimal dua tahap reheater saja.