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.

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.