MESIN TENAGA UAP ( BOILER )

MESIN TENAGA UAP

Mesin tenaga uap merupakan jenis mesin pembakaran luar [gambar 19.1] dimana fluida kerja dengan sumber energi terpisah. Sumber energi kalor dari proses pembakaran digunakan untuk membangkitkan uap panas. Uap panas dibangkitkan di dalam boiler atau sering disebut ketel uap. Untuk memperoleh uap dengan temperatur yang tinggi digunakan reheater. Pada reheater uap dipanaskan lagi menjadi uap panas lanjut sehingga temperaturnya naik. Selanjutnya uap panas dimasukan ke Turbin Uap untuk diekspansi yang akan menghasilkan energi mekanik.

Di dalam turbin uap energi uap panas dikonversi menjadi energi mekanik di dalam sudu-sudu turbin uap. Energi mekanik yang berupa putaran poros turbin uap akan menggerakan generator pada instalasi pembangkit listrik tenaga uap.

A. Siklus Termodinamika Mesin Uap

Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut [gambar 19.2 dan 19.3] ;

1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa

2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler

3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap

4-1 Prose pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor.

Fluida kerja berupa air jenuh dari kondensor dikompresi di pompa sampai masuk boiler . Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur T1 ke T2 kemudian di dalam boiler air dipanaskan dari T2 ke T3. Sumber energi panas (qmasuk) berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap panas masuk masuk turbin dan berekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun (T3 ~T4). Selama proses ekspansi pada turbin terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan putaran poros turbin. Uap yang ke luar dari turbin kemudian dikondensasi (pendinginan) pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun, kemudian siklus berulang lagi.

B. Siklus Aktual dari Siklus Rankine

Penyimpangan siklus aktual dari siklus ideal dikarenakan karena beberapa faktor seperti gesekan fluida, kerugian panas, dan kebocoran uap [gambar 19.4 dan 19.5]. Gesekan fluida mengakibatkan tekanan jatuh pada banyak perlatan seperti boiler, kondensor dan di pipa-pipa yang menghubungkan banyak peralatan. Tekanan jatuh yang besar pada boiler mengkibatkan pompa membutuhkan tenaga yang lebih untuk mempompa air ke boiler. Tekanan jatuh juga mengakibatkan tekanan uap dari boiler ke turbin menjadi lebih rendah sehingga kerja turbin tidak maksimal.

Kerugian energi panas banyak terjadi pada peralatan. Pada turbin karena proses ekspansi uap panas pada sudu-sudu dan rumah turbin banyak kehilangan panas. Kebocoran uap juga mengibatkan kerugian yang tidak dapat diremehkan, biasanya terjadi di dalam turbin. Karena sebab-sebab tersebut mengakibatkan efisiensi menjadi turun.

Proses termodinamika dari siklus Rankine di atas adalah sebagai berikut [gambar 19.2 dan 19.3] ;

1-2 Proses kompresi adiabatis berlangsung pada pompa

2-3 Proses pemasukan panas pada tekanan konstan terjadi boiler

3-4 Proses ekspansi adiabatis berlangsung pada turbin uap

4-1 Proses pengeluaran panas pada tekanan konstan pada kondensor.

C. Peralatan Sistem Tenaga Uap

C.1. Boiler

Peralatan yang paling penting pada mesin tenaga uap berbentuk bejana tekan berisi fluida air yang dipanasi lansung oleh energi kalor dari proses pembakaran, atau dengan elemen listrik atau energi nuklir. Air pada boiler akan terus menyerap kalor sehingga temperaturnya naik sampi temperatur didih, sehingga terjadi penguapan. Pada boiler yang menggunakan drum sebagai penampung uap, air akan mengalami sirkulasi selama proses pendidihan. Ada dua cara sirkluasi air yaitu sirkulasi alamiah dan sirkulasi paksa. Sirkulasi air alamiah terjadi karena perbedaan massa jenis antara air panas dengan air yang lebih dingin, air panas akan naik ke permukaan drum dan air lebih dingin turun. Sirkulasi air paksa terjadi karena air disirkulasikan dengan bantuan dari pompa. Untuk menghasilkan kapasitas uap yang besar, dibutuhkan jumlah kalor yang besar sehingga sirkulasi air harus bagus sehingga tidak terjadi overheating pada pipa-pipa airnya. [gambar 19.7] Untuk boiler yang tidak menggunakan drum uap akan langsung dikirim ke turbin uap, boiler jenis ini disebut boiler satu laluan.

Ada dua tipe dari boiler yang sudah biasa dipakai yaitu;

a. Firetube Boiler atau Boiler pipa api.

Boiler jenis ini pada bagian tubenya dialiri dengan gas pembakaran dan bagian lainya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan [gambar 16.20]. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melingkupinya. Jumlah pass dari boiler bergantung dari jumlah laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnace dan pipa-pipa api. Laluan gas pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama. Boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri pengolahan mulai skala kecil sampai skala menengah.

b.Watertube boiler atau boiler pipa air.

Boiler jenis ini banyak dipakai untuk kebutuhan uap skala besar [gambar 19.7]. Prinsip kerja dari boiler pipa air berkebalikan dengan pipa api, gas pembakaran dari furnace dilewatkan ke pipa-pipa yang berisi air yang akan diupakan. Ada dua keuntungan menggunakan boiler pipa air daripada pipa api yaitu kapasitas yang besar dapat dicapai dengan memperbanyak jumlah tube atau pipa tanpa bergantung ukuran dari sell dan drum.

Keuntungan kedua adalah sell dan drum uap tidak terkena radiasi langsung dari kalor pembakaran sehingga dimungkinkan dibuat boiler dengan kapasitas dan tekanan uap yang besar. Berbagai jenis bahanbakar dapat dipakai pada boiler tipe ini, variasi ukuran juga tidak menimbulkan masalah.

C.2. Turbin uap

Perlatan yang paling utama dalam sistem tenaga uap adalah TURBIN UAP. Turbin uap berfungsi sebagai tempat untuk mengkonversikan energi yang terkandung dari uap panas dari boiler menjadi energi mekanik poros turbin.Secara umum turbin uap dibagi menjadi dua yaitu turbin uap jenis impuls dan jenis reaksi. Prinsip kerja kedua jenis turbin uap sudah dibahas pada bab turbin. Komponen turbin uap yang paling penting adalah sudu-sudu, karena di sudu-sudu inilah sebagian besar energi uap panas ditransfer menjadi energi mekanik. [gamba 21.12]

C.3. Kondensor

Proses konversi energi dari satu energi menjadi energi lainnya untuk mesin-mesin panas selama transfer energi selalu ada transfer panas pada fluida kerja. Jadi tidak semua energi panas dapat dikonversikan menjadi energi berguna atau dengan kata lain "harus ada yang dibuang ke lingungan" Pada sistem tenaga uap proses transfer panas ke lingkungan terjadi pada kondensor. Sudah jelas fungsi kondensor adalah alat penukar kalor untuk melepaskan panas sisa uap dari turbin. Uap sisi dari turbin uap masih dalam keadaan uap jenuh dengan energi yang sudah berkurang. Di dalam kondensor semua energi dilepaskan ke fluida pendingin

D. Ekonomiser

Peralatan tambahan yang sangat penting pada mesin tenaga uap adalah ekonomiser. Ekonomiser adalah sejenis heat exchanger yang terdiri dari fluida air yang akan masuk boiler. Pemasangan ekonomiser pada laluan gas buang dan cerobong asap [gambar 19.16]. Ekonimiser dirancang mempunyai banyak sirip dari material logam untuk memperluas permukaan singgung perpindahan kalor dari gas buang yang bertemperatur tinggi ke fluida air bertemperatur lebih rendah dibanding l

Karena hal tersebut fluida air pada ekonomiser akan mudah menyerap panas dari gas buang dari proses pembakaran. Temperatur air yang ke luar dari ekonomiser lebih tinggi dari temperatur lingkungan sehingga setelah masuk boiler tidak dibutuhkan energi kalor yang besar. Energi kalor yang dibutuhkan hanya untuk menaikkan temperatur dari ekonomiser menjadi temperatur didih boiler. Jadi dengan pemasangan ekomiser akan menaikkan efisiensi sistem. Karena ekonomiser disinggungkan dengan gas buang yang banyak mengandung zat- zat polusi yang dapat menimbulkan korosi, maka pemilihan material dari ekonomiser bergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan pada stoker atau burner [gambar 19.17)

E. Superheater

Kondisi uap dari boiler yang masuk instalasi perpipaan sebelum masuk turbin akan banyak mengalami perubahan terutama kehilangan kalor yang tidak sedikit dan kondensasi sehingga pada waktu masuk turbin energinya tidak maksimal. Untuk mengatasi hal tersebut uap dari boiler dipanaskan kembali sampai kondisi uap panas lanjut. Saluran pipa yang berisi uap jenuh setelah dari boiler dilewatkan ke gas pembakaran sehingga terjadi perpindahan kalor kembali ke uap (gambar). Karena ada kalor yang masuk, temperatur uap jenuh akan naik sampai kondisi uap panas lanjut. Sebagai contoh uap jenuh yang ke luar dari boiler bertmperatur sekitar 200 C akan naik sampai 540 C dalam kondisi superheated. Dengan kondisi uap panas lanjut yang masuk turbin akan menaikkan efisiensi turbin. Setiap kenaikan 6 C temperatur uap akan mengurangi kebutuhan uap sebesar 1% [gambar 19.18]

F.Burner

Sumber energi kalor atau panas diperoleh dari proses pembakaran.

Proses pembakaran pada mesin tenaga uap terjadi pada furnace. Pada furnace terdapat burner. Furnace ditempatkan menyatu dengan boiler dan terpisah dengan fluida kerja air yang mengalir pada pipa-pipa boiler.

Berdasarkan dari jenis bahan bakar yang digunakan, burner diklasifikasikan menjadi tiga yaitu

1. Burner untuk bahan- bakar cair

2. Burner untuk bakar bakar gas

3. Burner untuk bahan bakar padat

Berbagai macam teknologi telah dikembangkan untuk menaikkan efisiensi dari proses pembakaran. Efiseinsi proses pembakaran yang tinggi akan menaikkan efisiensi total dari furnace dan jumlah panas yang ditransfer ke boiler menjadi semakin besar. Furnace harus mudah dikendalikan untuk merespon jumlah uap dengan temperatur dan tekanan tertentu.

F.1. Burner untuk bahan bakar cair

Burner dengan berbahan bakar cair mempunyai permasalahan khusus yaitu proses mixing antara bahan-bakar cair dan udara. Untuk memperbaiki pencampuran bahan-bakar udara, proses pengkabutan harus menjamin terjadi atomisasi yang bagus dari bahan-bakar sehingga udara dapat berdifusi dengan mudah masuk ke bahan bakar. Dari proses tersebut akan tercapai campuran yang lebih homogen. Proses pembakaran akan berlangsung menjadi lebih sempurna. Ada beberapa macam tipe dari burner berbahan bakar cair yaitu sebagai berikut :

a.Vaporising burner.

Burner jenis ini menggunakan bahan bakar cair seperi kerosen dan premium. Bahan-bakar diuapkan terlebih dahulu sebelum bercampur dengan udara. Udara didifusikan ke uap bahan-bakar secara alamiah atau dipaksa dengan fan. Burner tipe ini digunakan pada industri-industri skala kecil [gambar 19.22]

b. Pressure jet burner.

Bahan-bakar cair bertekanan tinggi dimasukan melalui lubanglubang dengan posisi tangensial terhadap sumbu nosel, sehingga menghasilkan aliran radial. Di dalam nosel terjadi aliran swirl sehingga diharapkan terjadi atomisasi dengan sempurna, setelah ke luar nosel bahan bakar cair menjadi drople-droplet yang lebih mudah bercampur dengan udara [gambar 16.23]

C. Twin fluid atomizer burner.

Proses pengkabutan dari burner model ini dibantu dengan fluida bertekanan, dimana pada waktu proses pengkabutan fluida mempunyai energi kinetik tinggi ke luar dari nosel. Fluida yang sering dipakai adalah udara atau uap bertekanan. Pengunaan uap dianggap lebih menguntungkan. Bahan bakar disemprotkan dengan tekanan tinggi, uap dengan tekanan sedang akan membantu proses pemecahan bahanbakar menjadi droplet, sehingga pengkabutan lebih bagus [gambar 19.24]

F.2. Burner dengan bahan-bakar gas

Proses pembakaran bahan bakar gas tidak memerlukan proses pengkabutan atau atomisasi, bahan bakar langsung berdifusi dengan udara. Ada dua tipe yaitu

a. Non aerated burner.

Tipe ini bahan-bakar gas dan udara tidak dicampur dulu sebelum terjadi proses pembakaran. Bahan-bakar gas bertekanan dilewatkan melalui nosel, udara akan berdifusi secara alamih dengan bahan bakar. Proses pembakaran dengan burner tipe ini dinamakan pembakaran difusi. Dua contoh burner tipe ini yang biasa dipakai dapat dilihat pada gambar 19.25

b.Aerated burner.

Bahan bakar gas dan udara dicampu dulu sebelum terjadi proses pembakaran. Pada burner tipe ini selalu ada pengaman untuk mencegah nyala balik kesumber campuran bahan-bakar udara. Jenis burner ini yang paling umum adalah model bunsen [gambar 19.26]

F. 3. Burner untuk bakar padat.

Bahan bakar padat merupakan bahan bakar yang sangat belimpah di alam. Bahan bakar ini harus melalui proses yang lebih rumit daripada jenis bahan-bakar lainnya untuk terbakar. Bahan bakar padat mengandung air, zat terbang, arang karbon dan abu. Air dan gas terbang yang mudah terbakar harus diuapkan dulu melalui proses pemanasan,,

sebelum arang karbon terbakar.

Bahan bakar padat banyak dipakai sebagai sumber energi pada mesin tenaga uap. Bahan-bakar tersebut dibakar di furnace dengan stoker atau dengan burner. Ada beberapa tipe burner atau stoker yang dipasang di furnace seperti berikut ini :

1. Pulvizer fuel burner.

Bahan-bakar padat akan dihancurkan lebih dahulu dengan alat pulvizer sampai ukuran tertentu sebelum dicampur dengan udara. Selanjutnya campuran serbuk batu bara dan udara diberi tekanan kemudian disemprotkan menggunakan difuser.  Proses pembakaran dibantu dengan penyalaan dengan bahanbakar gas atau cair untuk menguapkan air dan zat terbang. Udara tambahan diperlukan untuk membantu proses pembakaran sehingga lebih efesien. Burner tipe ini dapat dilihat pada gambar 19.27

2.Underfeed stoker

Stoker jenis ini banyak dipakai untuk industri skala kecil, konstruksinya sederhana. Bahan-bakar di dalam berupa batu bara dimasukan ke perapian dengan dengan srew pengumpan. Proses pembakaran terjadi di dalam retort, batu bara akan dipanaskan untuk menguapkan air dan zat terbang kemudian arang terbakar. Sisa pembakaran berupa abu akan digeser ke luar karena desakan batu bara baru yang belum terbakar. Udara tambahan digunakan untuk membantu proses pembakaran sehingga lebih efesien [gambar 19.28]

Tempat pembakaran berbentuk plat yang memungkinkan udara utama dapat mengalir dari bawah. Serbuk batu bara dari pulvizer dipindahkan menuju burner dengan udara berkecapatan sedang dengan pipa pengumpan. Proses pembakaran dibantu dengan udara tambahan dari saluran saluran udara sekunder. Ada dua tipe yang umum dipakai yaitu front feed dan top feed fixed grate burner. Sisa pembakaran yang berupa abu dibersihkan secara manual atau dirancang secara otomatis[gambar 19.29]

4.Chain grate stoker

Serbuk batu bara diumpankan dari hopper dengan katup rotari ke grate berjalan, kapasitasnya dibatasi dengan menggunakan plat geloutin. Rotari vane juga digunakan untuk mencegah nyala balik dari grate berjalan ke hopper. Grate berjalan dapat divariasi kecepatannya. Udara pembakaran dilewatkan dari sela-sela grate dan udara tambahan dilewatkan melalui permukaan atas lapisan serbuk batu bara pada grate [gambar 19.30]

5.Fluidized bed stoker

Bahan bakar berupa serbuk batu bara dikondisikan seperti fluida. Serbuk batu bara terangkat ankat dari grate karena desakan dari udara bertekanan dari bagian bawah grate. Udara bertekanan disuplai dari kompresor. Proses pembakaran terjadi sangat cepat, dibantu dengan penyalaan dengan bahan-bakar gas atau cair. Temperatur pembakaran tidak boleh melebihi dari temperatur leleh dari abu, sehingga tidak terjadi penyumbatan di grate oleh lelehan dari abu. Abu akan turun ke penampung abu di bagian bawah. Serbuk batu bara diumpankan dari feeder. Untuk mencegah emisi gas ke luar ditambahkan limestone atau zat lainnya untuk menetralisir zat polusi seperti sulfat dan nitrat [gambar 19.31]