1. PENDAHULUAN
Ruang bakar pembangkit uap adalah suatu ruangan dimana terjadi pelepasan energi bahan bakar dengan reaksi oksigen dan pelepasan sebagian energi panas (radiasi) untuk pembentukan uap.
Intensitas (beban) ruang bakar adalah jumlah energi panas yang dilepaskan di ruang bakar untuk setiap satuan volume dan waktu.
Proses pembakaran direncanakan seluruhnya terjadi di ruang bakar. Oleh karena hal tersebut waktu yang diperlukan oleh proses pembakaran harus lebih kecil bila dibandingkan dengan waktu yang diperlukan udara (gas) untuk melintasi ruang bakar. Hal tersebut sebetulnya sangat tergantung pada jenis bahan bakar, pengabutan/pencampuran dan konstruksi ruang bakar.
Pengambilan energi panas di ruang bakar untuk pembentukan uap (radiasi), waktu pembakaran dan dimensi ruang bakar sangat menentukan suhu akhir gas pada waktu akan keluar ruang bakar. Besarnya suhu akhir tersebut sangat menentukan laju pembentukan asam yang dapat menyebabkan pengkaratan dan timbulnya deposit pada bagian konveksi.
Untuk bahan bakar kelas rendah diusahakan pembakaran terjadi sedekat mungkin dengan pembakaran stokhiometrik (perlu alat-alat pembakaran dan kontrol yang lebih teliti). Semakin meningkatnya kelebihan udara semakin memperbesar kemungkinan terjadinya pembentukan \(SO_3\) yang korosip.
DIMENSI RUANG BAKAR 2.
Analisa ruang bakar bermaksud untuk mencari perubah-perubah yang berkaitan dengan perencanaan ruang bakar yang memadai. Hasil-hasil dari analisa ruang bakar umumnya sangat sulit diterapkan sepenuhnya pada pembuatan ruang bakar sebenarnya. Tetapi walaupun demikian, analisa ruang bakar akan membangun suatu pengertian yang mendasar dan dengan pendekatan-pendekatan seperlunya dapat direncanakan ruang bakar yang optimal.
Persamaan Rosin.
Di dalam analisa klasik model ruang bakar dinyatakan seperti dalam gambar 1. Sedangkan Rosin membuat suatu model seperti yang dijelaskan pada gambar 2. Rosin menganggap bahwa volume bahan bakar dapat diabaikan terhadap udara dan gas panas hasil pembakaran.
Gb. 1. Model Ruang Bakar Klasik
Laju aliran volume pemakaian udara pada suhu To. \[\dot{V}_{a} = \frac{F Wa}{\rho a} \left(1 + \frac{E}{100}\right)\] (1)
Volume gas hasil pembakaran, (pada suhu Tf) dapat dinyatakan sebagai berikut:
\[\dot{V}_{af} = \frac{F Wa}{\rho a} (1 + \frac{E}{100}) \frac{T_f}{To}\] (2)
Dalam kenyataannya, tidak ada pembatasan bahwa pembakaran harus dilaksanakan pada tekanan ruang bakar sebesar 1 atmosfir. Untuk tekanan pembakaran yang berbeda, persamaan (2) di atas dapat diubah menjadi :
\[\dot{V}_G = \frac{F Wa}{p\rho a} (1 + \frac{E}{100}) \frac{T_f}{To} m^3 / \ln atm (3)\]
Waktu yang dipergunakan untuk melintasi ruang bakar dimisalkan \(x_r\), maka volume gas yang masuk dan keluar ruang bakar dinyatakan sebagai berikut (keadaan mantap):
\[V_C = \mathring{V}_g \tau_r \qquad m^3/atm \qquad (4)\]
Persamaan tersebut di atas dapat digunakan bila pengadukan di dalam ruang bakar berjalan secara sempurna. Jelas bahwa waktu yang diperlukan untuk pembakaran tidak boleh melebihi waktu yang diperlukan oleh campuran udara bahan bakar berada di ruang bakar, atau
\[\tau_{\rm b} \le \tau_{\rm r}\]
Dan kemudian Rosin membuat idialisasi.
\[\tau_b = \tau_r\]
Sehingga persamaan (3) dan (4) menjadi
\[V_C = \frac{F Wa}{P \rho a} (1 + \frac{E}{100}) \frac{T_f}{To} \tau_b\] (5)
Intensitas pelepasan panas diberi batasan sebagai berikut:
\[I = \frac{FB}{V_C P} \tag{6}\]
Persamaan (6) di atas mengandung pengertian bahwa volume nyala dianggap sama dengan volume ruang bakar. Dan bila persamaan (5) dimasukkan didapatkan.
100 10
Dari persamaan (7) dan (8), untuk \(\tau\)b yang tetap terlihat bahwa intensitas pelepas panas akan berkurang bila suhu nyala harganya semakin besar. Dalam kenyataannya \(\tau\)b, harganya sebanding terhadap pangkat negatip \(T_f\).
Essenhigh mengusulkan bahwa harga waktu pembakaran sebagai berikut :
\[\tau b = \frac{1}{\alpha \left(\frac{T_f}{T_0}\right)^n}\] (9)
Yang mana \(\alpha\) mempunyai satuan 1/jam. Bila dimasukkan ke persamaan (8) didapat,
\[I = \frac{100 \alpha \left(\frac{T_{f}}{T_{0}}\right)^{n-1}}{\left(1 + \frac{E}{100}\right)}\]
Telah diketahui bahwa harga intensitas pelepasan energi panas bertambah bila suhu nyala bertambah besar.
Dan hal tersebut berarti bahwa \(n \ge 1\).
Persamaan (9) dapat ditulis,
\[\frac{T_f}{T_0} = \alpha - \frac{1}{n} \tau b^{-1} \frac{1}{n}\]
Dan bila dimasukkan kepersamaan (8) didapat,
\[I = \frac{100 \alpha \frac{1}{n}}{(1 + \frac{E}{100}) \tau_b^{1 - \frac{1}{n}}}\](11)
Bila harga E kecil dan n \(\sim\) 100 (merupakan batas atas), maka :
\[I = \frac{100}{\tau_{b}} \tag{11.A}\]
Dan bila harga E kecil dan \(n \rightarrow 1\) (merupakan batas bawah), diperoleh
\[I \cong 100 \tag{11.B}\]
Untuk minyak menurut M.W Thring, waktu, pembakaran dapat dinyatakan
\[\tau b = E_f K do^2. \tag{12}\]
5 bila n → 1. Sehingga persamaan (9) menjadi :
\[\alpha = \frac{1}{5\tau b} \tag{12.A}\]
Dengan menganggap \(E_f = 2\) didapatkan
\[\alpha = \frac{1}{10 \text{ K do}^2} \tag{12.B}\]
Dengan menggabungkan persamaan (11.A) sampai (12.B). Essenhigh mendapatkan harga-harga sebagai berikut:
I atas = 3,6 . \[\frac{10^3}{\text{do}^2}\] BTU/ft3hr.
I bawah = 3,6 . \[\frac{10^2}{\text{do}^2} \text{ BTU/ft}^3 \text{ hr}\]
Dengan mengambil do = 10<sup>-2</sup> cm, sebagai batas atas, maka
I bawah = \[3.6 \cdot 10^6\] BTU/ft3 hr
Dalam praktek, keadaan tersebut tidak mungkin. Ruang bakar dengan pembakaran tangensial dan keadaan normal, biasanya I sekitar 10<sup>5</sup> BTU/Ft<sup>3</sup> hR.
Bila bahan bakar yang digunakan batubara, Essenhigh mengusulkan,
\[\tau b = E_{\text{coal}} K_{\text{coal}}\] do do \(\sim 100 \,\mu\) (batas atas)
Luas ruang bakar (ft<sup>2</sup>) Gambar 3 Hubungan Intensitas pelepasan energi dengan luas ruang bakar. Diambil dari rujukan 1, hal B.4.
K<sub>coal</sub> harganya belum diketahui tetapi diperkirakan 100 sebagai batas atas. Dan demikian juga Ecoal diperkirakan lebih besar dari pada I.
Dengan mengambil n = 1 dan dianggap τb≈2 detik dari persamaan (9) diperoleh \(\alpha \sim 0.1\) seperdetik.
Harga tersebut secara tak langsung menyatakan bahwa intensitas pelepasan energi panas sekitar 105 BTU/ft3 hR.
Biasanya ukuran bubuk batubara sekitar 50µ dan waktu pembakaran kurang dari 1 detik. Baik batubara, minyak maupun gas harga intensitas pelepasan energi kira-kira dalam order yang sama.
Gambar 4. Suhu gas keluar vs ukuran ruang bakar dan pembebanan energi panas (I V<sub>C</sub>) dengan analisa Rosin. Diambil dari rujukan 1, hal. B.4.
Harga intensitas pelepasan energi panas digambarkan dalam gambar 3, walaupun grafik tersebut untuk pembakaran minyak, tetapi dapat digunakan untuk pembakaran tangensial, dalam rentangan unit 500 M W.
Intensitas pelepasan energi panas tersebut sangat bermanfaat bila dikaitkan dengan sifat-sifat dalam perencanaan.
Dari kekekalan energi.
\[NHI - Q_T = Q_E\]
NHI : Laju energi panas total pembakaran Laju energi panas yang diterima dinding \(Q_T\)Laju energi panas gas yang keluar ber-QF
sama gas
Persamaan tersebut dinyatakan sebagai berikut :
\[1 - \frac{Q_T}{NHI} = \frac{Q_E}{NHI} = \frac{Q_E / W_G C_P}{NHI / W_G C_P} = \frac{T_E}{T_t}\]
Dengan memasukkan \(q = \frac{Q_T}{A}\) \(T_E = T_t (1 - \frac{qA}{IVC})\)
\[T_E = T_t \left(1 - \frac{q^A}{IV_C}\right)\] atau
\[\theta = \frac{T_E}{T_t} = (1 - \frac{q^A}{I V_C})\]
Yang mana Tt adalah suhu adiabatik nyala. Dari persamaan jelas bahwa
\[0 \le \frac{q A}{1 V_C} \le 1.\]
(lihat gambar 4).
3. KESIMPULAN.
Dengan mendapatkan q dari pengalaman atau perhitungan dan I menurut Rosin, ruang bakar dapat ditentukan ukurannya dengan suhu TF yang dikehendaki.
DAFTAR RUJUKAN.
- Joseph G. Singer, Combustion-Fossil Power Systems, C.E.Inc, 1981.
- 2. Horst P. Niepenberg, Oil and Gas Fur-BABCOCK, Report No. 24.
- 3. G.F. Morrison, Combustion of Low Grade Coal, I EA Coal Research, 1978.