Dalam konteks tradisional, boiler adalah wadah tertutup yang menyediakan sarana untuk panas pembakaran untuk ditransfer ke media kerja (biasanya air) sampai menjadi panas atau gas (uap). Secara sederhana dapat dikatakan bahwa boiler adalah sebagai penukar panas antara api dan air. Itu boiler adalah bagian dari proses pembangkit listrik tenaga uap yang menghasilkan uap dan dengan demikian menyediakan panas. Uap atau air panas di bawah tekanan kemudian dapat digunakan untuk mentransfer panas ke proses itu mengkonsumsi panas dalam uap dan mengubahnya menjadi kerja. Ketel uap memenuhi yang berikut ini pernyataan:

  • Merupakan bagian dari jenis mesin panas atau proses
  • Panas dihasilkan melalui pembakaran (burning)
  • Memiliki fluida kerja, alias pembawa panas yang memindahkan panas yang dihasilkan dari ketel
  • Media pemanas dan fluida kerja dipisahkan oleh dinding

Kalor dihasilkan di bagian tungku boiler, tempat bahan bakar dibakar. Bahan bakar yang digunakan dalam boiler mengandung energi yang terikat secara kimiawi (seperti batu bara, limbah, dan biofuel). Sebuah boiler harus dirancang untuk menyerap jumlah maksimum panas yang dilepaskan dalam proses pembakaran. Kalor ini dipindahkan ke boiler air melalui radiasi, konduksi dan konveksi. Persentase relatif masing-masing adalah tergantung pada jenis boiler, permukaan perpindahan kalor yang dirancang dan bahan bakar yang menggerakkan pembakaran.

Simple Boiler

Untuk menjelaskan prinsip-prinsip a ketel uap, pertimbangkan kasus yang sangat sederhana, di mana boiler hanyalah sebuah wadah, sebagian diisi dengan air. Pembakaran bahan bakar menghasilkan panas yang dipindahkan ke wadah dan dibuat airnya menguap. Uap atau uap dapat melarikan diri melalui pipa yang terhubung ke wadah dan menjadi diangkut ke tempat lain. Pipa lain membawa air (disebut “feedwater”) ke wadah untuk menggantikan air yang telah menguap dan keluar.

Karena tingkat tekanan di boiler harus dijaga konstan (agar memiliki nilai proses yang stabil), massa uap yang keluar harus sama dengan massa air yang ditambahkan. Jika uap meninggalkan boiler lebih cepat daripada air yang ditambahkan, tekanan dalam boiler turun. Jika air ditambahkan lebih cepat daripada yang diuapkan, tekanan naik. Jika lebih banyak bahan bakar yang dibakar, lebih banyak panas yang dihasilkan dihasilkan dan dipindahkan ke air. Dengan demikian, lebih banyak uap dihasilkan dan tekanan naik di dalam boiler. Jika lebih sedikit bahan bakar yang dibakar, lebih sedikit uap yang dihasilkan dan tekanan berkurang.

Siklus Boiler Pembangkit Sederhana

Boiler menyediakan uap panas, biasanya untuk menyalakan engine. Di sebuah pembangkit listrik tenaga uap yang digunakan untuk turbin uap mengekstraksi panas dari uap dan memutarnya ke dalam pekerjaan. Turbin biasanya menggerakkan generator yang mengubah kerja dari turbin menjadi listrik. Uap yang digunakan oleh turbin dapat didaur ulang dengan mendinginkannya sampai mengembun ke dalam air dan kemudian mengembalikannya sebagai air umpan ke ketel. Kondensor, tempat uap berada kental, adalah penukar panas yang biasanya menggunakan air dari laut terdekat atau sungai untuk mendinginkan uap. Di pembangkit listrik tipikal, tekanan, G di mana uap diproduksi, tinggi. Tetapi ketika uap telah digunakan untuk menggerakkan turbin, tekanan turun drastis. SEBUAH pompa oleh karena itu diperlukan untuk mendapatkan tekanan cadangan. Karena pekerjaan yang diperlukan untuk kompres a fluida kira-kira seratus kali lebih kecil dari kerja yang diperlukan untuk memampatkan gas, pompa terletak setelah kondensor. Siklus yang dijelaskan bentuk proses, disebut siklus Rankine dan merupakan dasar dari sebagian besar pembangkit listrik tenaga uap modern proses (Gambar 5).

Efisiensi Carnot

Saat mempertimbangkan siklus proses atau siklus kalor apa pun perlu untuk meninjau efisiensi Carnot yang berasal dari hukum kedua termodinamika. Efisiensi Carnot memberikan efisiensi termal maksimum dari sistem mengalami siklus reversibel saat beroperasi antara dua reservoir termal pada suhu Th dan Tc (satuan suhu Kelvin).

ηmax = (Th-Tc)/Th = 1 – (Tc-Th)

Efisiensi maksimum sebagai fungsi dari suhu uap keluar dapat diplot dengan menjaga agar temperatur air pendingin tetap konstan. Dengan asumsi suhu air pendingin adalah sekitar 20 ° C, kurva mendapatkan bentuk yang disajikan pada Gambar. Perbedaan suhu lebih besar menyebabkan efisiensi termal yang lebih tinggi.

Meski praktis tidak ada proses siklus kalor yang sepenuhnya reversibel, banyak proses dapat dihitung cukup tepat dengan mendekati mereka sebagai proses reversibel. Untuk memberikan contoh praktis penggunaan ini teori tentang boiler, pertimbangkan contoh siklus Rankine yang disajikan pada Gambar. Suhu reservoir panas kemudian akan menjadi suhu uap yang dihasilkan di boiler dan suhu reservoir dingin akan menjadi suhu air pendingin yang diambil dari sungai atau danau terdekat. Rumus dalam Persamaan 1 kemudian dapat digunakan untuk menghitung efisiensi termal maksimum teoritis.