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.

Sesuai 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 9000 kg/jam dengan tekanan maksimal 17 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. Boiler yang dikembangkan di abad 18 ini hanya mampu bekerja di tekanan maksimum 5 psi. Boiler yang saat ini sudah sangat jarang di temui ini menjadi cikal bakal dikembangkannya berbagai desain boiler baru hingga ditemukannya desain boiler pipa-api modern.

• 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.

Boiler 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.

• Boiler Huber
  Boiler Huber menjadi boiler pipa-api 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.

• 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 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.

• 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.

• 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 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.

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.

• 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.

• 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.

• 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.

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).

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 John Blakey (1766)

Boiler yang di desain oleh John Blakey ini menjadi cikal bakal boiler pipa-air. Boiler ini tersusun atas sebuah tunggu vertikal yang di tengah-tengahnya ditata beberapa pipa terhubung yang dibuat miring membentuk sudut tertentu. Kedua ujung dari susunan pipa-pipa tersebut terhubung dengan pipa yang berdiameter lebih kecil. 

Boiler ini dipatenkan oleh John Blakey pada tahun 1766, namun tidak terlalu populer di kala itu.

• Boiler James Rumsey (1788)

Boiler pipa-air pertama yang lebih fungsional diciptakan oleh seorang ahli rekayasa mekanika asal Amerika Serikat bernama James Rumsey. Ia diketahui mematenkan beberapa desain boiler pipa-air, sehingga membuat James Rumsey disebut-sebut sebagai bapak penemu boiler pipa-air. Satu desain yang paling terkenal adalah sebuah perahu bertenaga uap.

Perahu yang ketika itu dibuat untuk menyeberangi sungai Potomac, dilengkapi dengan sebuah boiler pipa-air. Pipa-pipa air pada boiler tersebut didesain berliku-liku secara horisontal, berada di dalam sebuah tungku api berukuran cukup besar. Uap air yang diproduksi digunakan untuk menggerakkan sebuah piston uap.

Piston uap, menggunakan poros tunggal, terhubung dengan piston lain yang berada di bawahnya. Piston kedua tersebut berfungsi sebagai pompa air, dengan media air sungai tempat perahu beroperasi.

Poros piston, juga terhubung dengan sebuah pendulum besar. Pendulum tersebut terhubung dengan pompa injektor dan pompa udara di sisi kondensor.

Uap yang masuk ke dalam piston uap akan mengangkat poros, sehingga piston air juga terangkat, dan menghisap air sungai masuk ke dalam silinder piston air. Ketika poros mencapai titik mati atas, sebuah knop di poros akan menyentuh sebuah mekanisme tongkat, sehingga katup kontrol akan berubah posisi.

Ketika katup kontrol berubah posisi, maka uap di dalam silinder uap akan terbuang dan masuk ke dalam kondensor. Piston air juga akan ikut terdorong turun, sehingga air keluar dari silinder, melewati nozzle di sisi buritan kapal, sehingga menciptakan daya dorong bagi kapal.

Ketika posisi poros turun, pompa injektor mendorong air sungai masuk ke dalam boiler, sedangkan pompa udara mendorong air di dalam kondesor untuk keluar.

• Boiler Julius Griffith (1821)

Boiler selanjutnya memiliki desain yang cukup sederhana, namun memiliki dampak cukup penting terhadap perkembangan desain boiler pipa-air selanjutnya.

Boiler ini didesain oleh Julius Griffith pada tahun 1821, yang tersusun atas beberapa pipa horisontal dalam beberapa tingkat dan diletakkan di atas sumber panas. Pipa-pipa horisontal tersebut saling terhubung dengan dua pipa vertikal kembar di kanan-kirinya. Di bagian paling ujung terdapat sebuah pipa horisontal terakhir sebagai tempat berkumpulnya uap air terproduksi, yang kemudian keluar dari boiler. Desain pipa horisontal bagian atas inilah yang selanjutnya menjadi cikal bakal desain steam drum pada boiler-boiler pipa-air modern.

• Boiler Joseph Eve (1825)

Boiler pipa-air pertama dengan sistem pembagian sektor yang jelas, didesain oleh Joseph Eve pada tahun 1825. Boiler ini termasuk boiler pipa-air vertikal yang tersusun atas pipa-pipa vertikal dengan variasi lengkungan di bagian tengah, dua pipa horisontal berdiameter lebih besar yang berfungsi masing-masing sebagai tandon air dan tandon uap, serta dua pipa besar vertikal eksternal yang berfungsi sebagai penghubung antara tandon uap di sisi atas dan tandon air di sisi bawah. Dua pipa vertikal ini berfungsi untuk memastikan agar sirkulasi alami air dan uap air pada boiler terjadi dengan baik di antara bagian pipa-pipa air, tandon, dan pipa eksternal.

• Boiler Goldsworthy Gurney (1826)

Desain boiler pipa-air Gurney dipatenkan pada tahun 1825, dibuat pertama kali di 1826, dan diujicoba di tahun 1827 oleh Simon Goodrich.

Boiler ini tersusun atas beberapa pipa lengkung berbentuk huruf U yang dibaringkan dengan salah satu sisi berada di posisi atas. Masing-masing ujung pipa U saling terhubung dengan pipa horisontal berdiameter lebih besar, baik bagian atas dan bawah. Lalu kedua pipa horisontal ini terhubung dengan pipa-pipa vertikal yang berfungsi untuk memastikan terjadinya sirkulasi air-uap air. Juga terdapat sebuah tabung silinder berdiameter besar, berukuran cukup panjang, berdiri vertikal terhubung dengan pipa horisontal atas dan bawah. Pipa silinder ini berfungsi sebagai tandon air dan uap air.

• Boiler Stephen Wilcox (1856)

Boiler desain Wilcox ini menjadi boiler pipa-air pertama yang menggunakan desain pipa miring. Pipa-pipa miring ini menghubungkan ruang air di bagian depan dan belakang, dengan ruang uap air di bagian atas.

Desain boiler inilah yang kemudian berkembang menjadi desain boiler Babcock & Wilcox, dan merajai pasar boiler pipa-air di era akhir abad 19 hingga awal abad 20.

• Boiler Pipa-Air Spiral

Jika boiler pipa-api berkembang bersamaan dengan berkembangnya kereta api, desain boiler pipa-air justru berkembang beriringan dengan teknologi mobil.

Lahirnya teknologi mobil di tahun 1770 ciptaan Nicolas-Joseph Cugnot, mendorong perkembangan mobil di era 1800 yang masih menggunakan mesin uap. Sebagian besar mesin-mesin mobil tersebut menggunakan boiler pipa-air tipe spiral dengan desain yang berbeda-beda. Sejak itu, boiler pipa-air spiral berkembang menjadi tipe khusus dengan berbagai kegunaan.

Desain-desain boiler pipa-air spiral diantaranya adalah Boiler Climax, Boiler Lune Valley, Boiler Monotube, The Baker Boiler, Boiler Ofeldt dan masih banyak yang lain.

• Boiler Tipe-D

Tipe boiler ini 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

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.

• Boiler Dinding Pipa (Tube Walled Boiler)

Di awal-awal perkembangannya, boiler pipa-air memang tidak secepat boiler pipa-api. Hal ini dikarenakan boiler pipa-air membutuhkan desain perhitungan dan teknik pembuatan yang lebih rumit. Namun kelebihan utama dari boiler pipa-air yang nyaris tidak memiliki batas maksimum kapasitas, membuat perkembangan di masa-masa selanjutnya hanya perlu menunggu lahirnya teknologi-teknologi modern di bidang pengelasan dan material.

Setelah listrik ditemukan, lalu pembangunan pembangkit-pembangkit listrik tenaga uap mulai gencar dilakukan di awal-awal abad ke-20, boiler tipe Stirling masih mendominasi. Untuk memenuhi kebutuhan ini, beberapa Boiler Stirling dibangun sekaligus secara paralel sehingga mampu memproduksi jumlah uap air lebih banyak.

Mengapa Boiler Stirling tidak dibuat saja berukuran lebih besar, sehingga bisa memproduksi jumlah uap yang lebih banyak?

Alasan paling utama adalah dinding boiler yang masih menggunakan batu bata tahan api. Dinding batu tahan api tentu akan merepotkan jika harus disusun terlalu tinggi, sekaligus melebar, mengikuti desain boiler jika ingin diperbesar. Belum lagi dinding yang berukuran besar ini harus mampu mengisolasi energi panas ruang bakar, sehingga penyerapan panas pipa-pipa-air di dalam boiler menjadi maksimal.

Secara bertahap, lahirlah inovasi-inovasi baru untuk menggantikan dinding batu tahan api. Semakin majunya teknologi material pipa dan juga pengelasan, mendorong kemajuan teknologi dinding boiler.

Dinding “pipa dan ubin” (“tube and tile”), menjadi inovasi awal revolusi desain dinding boiler. Ditemukan di tahun 1920-an, dinding boiler ini menggabungkan pipa berdiameter 6 inch dengan ubin setebal 2,5 inchi atau batu tahan api setebal 4,5 inchi. Pipa dengan ubin disusun secara berselang-seling serta sisi luar dinding dipasang insulator untuk menjaga efisiensi boiler.

Adanya pipa di dinding boiler berfungsi untuk mendinginkan dinding sehingga ketebalan batu tahan api dapat direduksi dari ketebalan sebelumnya yang bisa mencapai 22 inchi. Sejak saat inilah desain boiler bisa terus tumbuh dalam hal ukuran dan kapasitas.

Di akhir era 1920-an dan awal 1930-an, muncul desain dinding pipa bersirip pipih dan pipa polos. Desain ini mampu meningkatkan penyerapan panas boiler. Sehingga di masa itu, boiler yang menggunakan dua desain pipa-air itu sudah mampu menerima panas tertinggi yang dihasilkan dari pembakaran batubara.

Perubahan besar desain dinding boiler pipa-air terjadi di akhir era 1950-an dan awal 1960-an. Sejak itu, dan hingga sekarang masih digunakan, dinding boiler pipa-air dibuat dari pipa-pipa baja panjang disusun berjajar dan saling dilas dengan penghubung lembar baja selebar tertentu.

Desain ini menjadi lebih mudah dikerjakan karena pembuatan dinding dapat dilakukan di bengkel las. Kemudian panel-panel dinding pipa tersebut bisa dengan jauh lebih mudah dirakit ketika pembangunan boiler. Proses pembangunan boiler pun menjadi jauh lebih praktis, hemat waktu, dan tentu saja hemat biaya.

Tidak hanya itu saja, kelebihan utama dari penemuan desain dinding pipa boiler ini membuat boiler pipa-air bisa dibangun lebih besar lagi. Diketahui boiler pipa-air mampu dibangun untuk menghasilkan uap air superheat lebih dari 4.000 ton per jam. Itu sama saja dengan lebih dari seribu kilogram uap air diproduksi oleh boiler ini, setiap detiknya.

Sekali lagi, setiap detik!

• Boiler Satu Kali Alir (Once-Through Boiler)

Once-through boiler adalah sebuah konsep boiler pipa air yang tidak terjadi sirkulasi air non-vaporasi. Artinya, setiap molekul air hanya melewati alur pipa-pipa boiler satu kali saja. Konsep ini tentu sangat meningkatkan efisiensi boiler karena tidak lagi membutuhkan steam drum, sehingga tidak perlu tambahan pompa sirkulasi boiler (Boiler Water Circulation Pump; baca artikel berikut).

Konsep boiler ini sebenarnya tidaklah baru. Desain boiler once-through telah dipatenkan di tahun 1824. Namun aplikasi komersial pertama boiler ini baru bisa dilakukan di tahun 1923, oleh seorang penemu asal Cekoslovakia, Mark Benson. Ketika itu boiler ini hanya bisa dibuat berkapasitas 1,3 kg/detik saja. Boiler yang dibangun untuk memenuhi order dari English Electric Co. ini, awalnya didesain beroperasi pada tekanan uap air kritis. Namun karena terlalu seringnya terjadi kerusakan pipa, tekanan operasi boiler kemudian terpaksa diturunkan.

Boiler tipe once-through terus berkembang hingga saat ini. Boiler-boiler tipe ultra-supercritical sudah menggunakan konsep ini. Sehingga sekalipun boiler ini digunakan pada pembangkit listrik berkapasitas 1000 MW, efisiensinya mampu mencapai angka 46%.

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. 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%.

Macam-macam boiler berdasarkan sumber energinya

Sesuai dengan kemajuan teknologi pula, sekarang ini sudah begitu banyak sumber energi yang bisa digunakan sebagai sumber panas boiler. Boiler yang dikembangkan pada awal sejarahnya hanya menggunakan bahan bakar fosil, sekrang sudah ada beberapa teknologi yang bisa menggunakan energi terbarukan. Berikut adalah di antaranya:

1. Boiler Batubara

Batubara menjadi bahan bakar paling umum digunakan pada boiler berkapasitas besar, termasuk di Indonesia. Harganya yang murah, melimpah (terutama di negara-negara penghasil batubara termasuk Indonesia), nilai kalor yang tinggi, menjadi sederet alasan digunakannya batubara sebagai bahan bakar boiler hingga saat ini.

Penggunaan batubara sebagai bahan bakar boiler membutuhkan perlakuan khusus yang tidak dilakukan pada jenis boiler lainnya. Ciri khas batubara yang padat, berukuran rata-rata sebesar kepalan tangan Anda, memerlukan proses penghalusan sebelum ia dibakar di dalam ruang bakar boiler. Tentu saja hal ini bertujuan utama untuk mempermudah terbakarnya batubara tersebut.

Tak hanya itu, proses pengolahan gas buang boiler batubara juga berbeda dengan boiler yang lain. Gas buang boiler ini banyak mengandung abu, karbon dioksida, sulfur, hingga NOx. Beberapa proses pengikatan limbah-limbah tersebut juga perlu diperhatikan. Seperti penggunaan Electrostatic Precipitator untuk mengikat abu (baca artikel berikut), lalu penggunaan Flue-Gas Desulphurization untuk mengikat sulfur, hingga penggunaan teknologi pembakaran bertingkat (staggered combustion) untuk meminimalisir terbentuknya NOx.

Kompleksnya desain boiler batubara, membuat keekonomisan boiler ini tidak sebaik boiler berbahan bakar minyak jika digunakan untuk skala kecil. Maka dari itu boiler batubara lebih banyak digunakan untuk skala produksi subcritical hingga ultra-supercritical.

2. Boiler Minyak

Boiler berbahan bakar minyak cukup populer digunakan untuk skala kecil saja. Hal ini disebabkan karena desain yang jauh lebih sederhana ketimbang boiler batubara. Boiler ini umumnya bertipe pipa-api, yang hanya membutuhkan komponen utama burner dan jaringan pipa-pipa untuk aliran api (gas panas) yang dibuat berada di dalam tungku air.

Boiler ini umumnya menggunakan bahan bakar solar, atau yang biasa juga dikenal dengan High Speed Diesel (HSD). Desainnya yang sederhana membuat boiler ini sangat cocok digunakan untuk produksi uap air bertekanan rendah dengan kapasitas produksi uap yang rendah pula.

3. Boiler Nuklir

Sesuai namanya, boiler nuklir menggunakan teknologi nuklir sebagai sumber energi panas. Boiler ini sangat populer digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir. Pada boiler tenaga nuklir, energi panas dari reaksi fisi di dalam reaktor nuklir diserap oleh material pendingin (coolant) yang dapat berupa gas, cair, atau bahkan logam cair, tergantung dari jenis reaktornya. Material pendingin inilah yang selanjutnya mengalir ke boiler dan digunakan untuk memanaskan air sehingga berubah fase menjadi uap panas lanjut. Uap yang dihasilkan inilah yang dialirkan ke turbin-generator untuk membangkitkan listrik pada pembangkit listrik tenaga nuklir.

Bahan baku reaktor nuklir yang populer adalah Uranium. Uranium merupakan jenis logam berat yang tidak banyak bermanfaat di Bumi dan mudah ditemukan di lautan maupun batuan. Ada dua jenis uranium dengan isotop yang berbeda yang kita kenal, yaitu uranium-238 (U-238) dan uranium-235 (U-235). Dua jenis uranium ini memiliki perbedaan utama pada umur reaktifnya. U-238 memiliki umur reaktif yang lebih panjang daripada U-235, yang demikian ini menunjukkan pula jika U-235 lebih tidak radioaktif ketimbang U-238.

Satu risiko utama penggunaan reaktor nuklir tentu saja adalah bahaya radioaktif. Oleh karena itulah reaktor nuklir selalu dibuat di dalam sebuah kubah yang berfungsi untuk mencegah kebocoran radioaktif reaktor. Umumnya bagian luar reaktor nuklir dibuat berbentuk dome dengan bahan cor konkrit kuat yang tidak hanya berfungsi untuk mencegah kebocoran radioaktif, tapi juga untuk menahan gangguan alam dari luar.

4. Boiler Tenaga Surya Terkonsentrasi

Boiler yang akan kita bahas berikut termasuk teknologi yang sangat baru. Boiler ini menggunakan sumber energi dari sinar matahari yang sangat terbarukan. Namun demikian, sekalipun sinar matahari hanya ada di siang hari saja, boiler ini mampu beroperasi siang-malam berkat teknologi larutan khusus penyimpan panas.

Boiler tenaga surya menggunakan komponen utama berupa sejumlah banyak cermin yang disusun mengelilingi sebuah menara penangkap panas. Cermin-cermin diposisikan sedemikian rupa sehingga pantulan sinar matahari yang ditangkap oleh masing-masing cermin tersebut terpantulkan secara terpusat ke menara penangkap panas. Masing-masing komponen cermin dilengkapi sebuah mekanisme otomatis, sehingga ia dapat bergerak mengikuti sumber sinar matahari, sehingga arah pantulan panas selalu mengarah ke menara penangkap panas.

Sebuah mekanisme digunakan untuk mengalirkan air garam tertentu ke menara penangkap panas. Diperkirakan panas yang tertangkap di menara ini dapat mencapai 1500 kali lebih panas dari apa yang biasa kita rasakan. Panas tersebut diserap oleh larutan garam dan disimpan ke dalam sebuah tangki khusus yang tahan panas.

Selanjutnya melalui sebuah heat exchanger, air menyerap panas dari larutan garam tadi sehingga air mendidih dan mencapai temperatur superheat. Pada pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi, uap inilah yang selanjutnya digunakan untuk memutar turbin uap dan menghasilkan listrik.

Pembangkit listrik yang sudah menggunakan teknologi ini banyak dibangun di Spanyol, Amerika Serikat, Afrika Selatan, India, dan sedikit di Cina.

5. Boiler Tenaga Sampah

Boiler tenaga sampah menjadi solusi paling ramah lingkungan terhadap dua permasalahan sekaligus: sampah dan krisis energi fosil. Produksi sampah yang terus-menerus meningkat setiap waktunya menjadi salah satu sumber energi yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar boiler.

Boiler berbahan bakar sampah tidak jauh berbeda dengan boiler biomass lainnya. Pertama-tama sampah yang didatangkan dipilah-pilah untuk menyingkirkan sampah mampu daur ulang dan material-material berbahaya. Kemudian sampah yang sudah bersih ditampung terlebih dahulu sebelum menunggu giliran untuk dibakar. Beberapa pabrik menggunakN proses gasifikasi, namun lebih banyak yang langsung menggunakan sampah yang ada karena lebih menghemat biaya proses. Kemudian sampah dapat dimasukkan ke proses pembakaran di boiler secara bagian-perbagian, atau kontinyu tergantung dari desain boiler.

Diketahui boiler berbahan bakar sampah memiliki tingkat emisi yang lebih bersahabat ketimbang boiler batubara. Hal ini dikarenakan tidak terbentuknya polutan sulfur seperti yang terkandung dalam batubara.

Pembangkit listrik tenaga sampah sudah digunakan lebih dari dua dekade di Swedia. Dan kini sudah banyak dibangun di Cina, Amerika Serikat, dan banyak negara lainnya.

Artikel-Teknologi.com didukung oleh Pusat Pakaian Dalam