BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Jenis dan Klasifikasi Ketel Uap Ketel uap pada dasarnya terdiri dari bumbung (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya seperti pada gambar 2.1 dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Banyak yang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang masing-masing-masing-masing. Dalam penulisan Tugas Akhir ini ketel uap diklasifikasikan dalam kelas, yaitu: 1. Menurut bentuk dan letak pipa. a. Ketel dengan pipa lurus. Ketel ini mempunyai pipa-pipa lurus, dengan diameter luar 3-4 inci dipasang miring kira-kira 15 derajat dan jarak 7-8 inci menghubungkan 2 buah pipa kumpul vertikal. b. Ketel dengan pipa bengkok Pipa-pipanya dibuat bengkok sehingga masuk dan keluar drum secara radial. Jumlah drum berkisar antara 2-4.
6
2. Berdasarkan pemakaiannya a. Ketel Stationer (stationary boiler) atau ketel tetap. Yang termasuk stasioner adalah ketel-ketel yang didudukkan di atas fundasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain.
Gambar 2.1. Ketel uap b. Ketel Mobil (mobile boiler), ketel pindah atau portable boiler. Yang termasuk ketel mobil, ialah ketel yang dipasang pada fundasi yang berpindah-pindah, seperti: boiler lokomotif, loko mobil dan ketel panjang serta lain yang sepertinya termasuk ketel kapal (marine boiler).
7
3. Berdasarkan letak dapur (furnace position). a. Ketel dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler), dalam hal ini pembakaran terjadi dibagian dalam ketel. Kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini. b. Ketel dengan pembakaran di luar (outernally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada di bagian luar ketel, kebanyakan ketel pipa air memakai sistem ini. 4. Menurut jumlah lorong (boiler tube). a. Ketel dengan lorong tunggal. Pada ketel lorong tunggal, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air aja. Cornish boiler adalah single fire tube boiler dan vertical boiler adalah single water tube boiler. b. Ketel dengan lorong ganda. Sedangkan ketel dengan lorong ganda misalnya ketel scotch dan multi water tube boiler misalnya ketel B dan W. 5. Tergantung kepada poros tutup drum (shell). Ketel tegak (vertical steam boiler) Untuk jumlah produksi uap yang kecil-kecil sekitar 0,2 – 1,0 ton uap per jam, ketel ini umumnya digunakan untuk melayani mesin-mesin pengangkat dan dapat dipindah-pindahkan. Contohnya seperti : ketel Cochran, ketel Clarkson 6. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel diklasifikasikan sebagai:
8
a. Ketel pipa api (fire tube boiler). Pada ketel pipa api seperti pada gambar 2.2, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (hasil pembakaran), yang membawa energi panas (thermal energy), yang segera mentransfernya ke air ketel melalui bidang pemanas (heating surface). Tujuan pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas kepada air ketel. b. Ketel pipa air (water tube boiler). Pada pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu ruang dapur) ke air ketel.
Gambar 2.2. Ketel uap pipa api 7. Menurut sistem peredaran air ketel (water circulation). a. Ketel dengan peredaran alam. Peredaran air dalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedangkan air yang berat turun, sehingga terjadilah aliran konveksi alami. Misalnya : ketel Lancarshire, Babcock dan Wilcox.
9
b. Ketel dengan peredaran paksa. Aliran diperoleh dari pompa sentrifugal yang di gerakkan dengan electric motor. Misalnya : La-Mont boiler, Benson boiler, Loeffer boiler dan Velcan boiler.
2.2 FUNGSI KETEL UAP (BOILER) Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari dua komponen utama, yaitu : -
Dapur , sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas.
-
Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran menjadi energi potensial uap. Kedua komponen tersebut diatas telah dapat untuk memungkinkan sebuah
boiler untuk berfungsi. Sedangkan komponen lainnya adalah : -
Corong asap dengan sistem tarikan gas asapnya, memungkinkan dapur berfungsi secara efektif.
-
Sistem pemipaan, seperti pipa-pipa api pada ketel pipa api dan pipa-pipa air pada ketel pipa air , memungkinkan sistem penghantaran kalor yang efektif antara nyala api atau gas panas dengan air ketel.
-
Sistem pemanas uap lanjut, sistem pemanas udara pembakaran serta sistem pemanas air pengisi ketel, berfungsi sebagai alat untuk menaikkan efisiensi ketel.
Supaya sebuah ketel uap beroperasi dengan aman, perlu adanya sistem pengamanan yang disebut apendasi.
10
2.3 Teori Perhitungan Efisiensi Ketel Uap 2.3.1. Metode Masukan-Keluaran Ketel uap sebagai suatu alat konversi energi, dimana pada alat ini terjadi proses pemindahan energi. Memerlukan energi masukan yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar dan menghasilkan keluaran berupa uap panas bertekanan yang siap digunakan untuk keperluan pembangkit daya. Energi masukan itu tidak semuanya bisa diubah menjadi energi keluaran yang berguna. Ada sebagian energi yang hilang begitu saja tanpa bisa dimanfaatkan. Makin besar kehilangan energi ini makin besar ketidak efisienannya, begitu pula sebaliknya. Dengan demikian efisiensi ketel adalah perbandingan jumlah panas yang diserap oleh air hingga menjadi uap, baik uap jenuh maupan uap super panas, dengan jumlah panas yang dihasilkan oleh bahan bakar dalam pembakarannya. Diagram dibawah ini menunjukkan kesetimbangan energi yang terjadi pada ketel uap.
Losses input
output ketel
Gambar 2.3. kesetimbangan energi
11
Efisiensi yang terjadi,
ηi / o =
Output Input
( 2.1 )
Dimana : output = Gs ( h s - h
fw
)
input = G f (LHv)
( 2.2 ) ( 2.3 )
maka,
( 2.4 )
Dengan, GS
= laju aliran uap ( kg/hr )
Gf
= aliran bahan bakar ( kg/hr )
hs
= enthalpi uap keluar ketel ( kJ/kg )
h fw
= enthalpi air pengisi ( kJ/kg )
LHV
= nilai kalor bawah bahan bakar ( kcal/kg )
2.3.2
Tingkat Keadaan Uap
Hukum termodinamika yang pertama. Menyatakan bila suatu sistem mengalami suatu perubahan keadaan siklus, jumlah aljabar transfer kerja adalah sebanding dengan jumlah aljabar transfer panas. Dalam hal ini aplikasi pemakaian terjadi pada ketel uap dimana kesetimbangan energi suatu ketel dapat dianalisa sebagai sistem aliran stasioner dengan memilih volume atur, kecepatan aliran masuk dan keluar dapat dianggap
12
kecil, perbedaan tinggi pada pipa masuk dan keluar dapat diabaikan, juga tidak ada kerja poros. Persamaan energi stasioner dengan demikian: U 1 +P 1 V 1 +q = U 2 +P 2 V 2
( 2.5 )
Dalam termodinamika, kombinasi U+pV sangat sering terjadi sehingga diberi nama entalpi dan simbol H, dimana: H = U+pV atau persatuan massa: h = u+pv
( 2.6 )
Jadi entalpi juga sifat dan memepunyai satuan energi, ia dapat atau tidak dapat diperlakukan sebagai energi. Ini disebabkan karena kadang-kadang suku pv tidak menyatakan energi. Besarnya enthalpi, entropi dan volume spesifik suatu tingkat keadaan uap sudah tersedia dalam berbagai buku, bentuk tabel, diagram maupun persamaan, seperti pada gambar 2.4. Dikenal tiga cara dalam penentuan tingkat keadaan tersebut : 1. Hasil pengukuran dilaboratorium adalah sumber utama bagi hargaharga numerikal berbagai sifat. 2. Berbagai persamaan yang menghubungkan berbagai sifat dapat dijabarkan dengan menerapkan teori termodinamika. 3. Untuk mendapatkan berbagai persamaan tingkat keadaan adalah dengan termodinamika kuantum statistik.
13
Gambar 2.4. Temperatur-entropi untuk kukus ( H 2 O ) Pada umumnya berbagai tingkat keadaan pada garis cairan jenuh dinotasikan dengan subkrip
f
dan berbagai tingkat keadaan pada garis uap jenuh
dinotasikan dengan subkrip g . beda berbagai sifat jenuh dengan cairan jenuh acapkali dinotasikan dengan subkrip fg , misalnya :
V fg = V g - V f
(2.7)
U fg = U g - U f
(2.8)
Seperti sudah disebut diatas, sifat-sifat campuran uap dapat dibaca langsung dari berbagai persamaan atau sebagai alternatif, sifat-sifat campuran dapat dihitung dari berbagai fasa-fasa individualnya yang didaftarkan dalam
14
berbagai tabel jenuh, asal saja jumlah relatif dari setiap fasa yang ada dalam campuran sudah diketahui. Dalam hubungan ini akan sangat memudahkan apabila diperkenalkan suatu sifat tambahan yaitu kualitas uap, yang didefinisikan sebagai pecahan dari massa total campuran yang berada dalam bentuk uap jenuh. Simbol X biasanya digunakan untuk menotasikan sifat dari campuran yang berada dalam bentuk cairan jenuh. Apabila M adalah massa total, volume dan energi dalam adalah : V = ( 1-x ) MV f + MV g
(2.9)
U = ( 1-x ) MU f + MU g
(2.10)
Jadi volume jenis dan energi dalam jenis suatu zat kompresibel sederhana yang berada dalam daerah fase campuran air-uap V = ( 1-x ) V f + x vg
(2.11)
U = ( 1-x ) U f + x ug
(2.12)
Bila diterapkan untuk entalpi h = ( 1-x ) h f + x hg sehingga,
x=
h − hf hg − h f
(2.13) (2.14)
Pembahasan sistem PLTU selalu berkaitan dan tidak terlapas dari pembahasan siklus Rankine, karena siklus Rankine telah dijadikan standard untuk pembangkit daya yang menggunakan uap. Suatu pada awalnya diidealisasikan, untuk mudahnya perhatikan gambar 2.5 dibawah ini maka sistem tenaga uap Rankine terbuka dapat dijelaskan sebagai berikut: Cairan dikompresikan oleh pompa dan diisikan ke ketel. Ketel menguapkan fluida dan menghasilkan uap tekanan tinggi yang kemudian dimasukkan kedalam turbin penghasil daya. Selanjutnya, turbin membuang uap
15
sisa ke atmosfir. Satu-satunya fluida yang dapat dibung dengan cara demikian adlah air.
Gambar 2.5. Siklus rankine terbuka
2.3.2. Metode Rugi Panas Keseimbangan kalor pada ketel menunjukkan hubungan antara kalor yang diberikan oleh 1 kg bahan bakar ( input ) untuk proses penguapan. Tidak semua input tersebut dapat dipergunakan untuk proses penguapan melainkan ada sebagian yang terbuang berupa losses/kerugian. Dimana semua kerugian didasarkan pada satuan massa bahan bakar. Ke enam kerugian utama ketel tersebut adalah : a. Kerugian kalor gas asap kering ( Lg ). Kerugian gas asap kering adalah porsi kerugian ketel yang berhubungan dengan udara yang disuplai ke generator uap sebagai udara pembakaran. Karena semuanya adalah panas sensibel, maka dapat dihitung dari angka perbandingan udara kering bahan bakar aktual dan temperatur gas. Lg = w g c p ( T g out - T g in )
( kJ/kg )
( 2.15 )
wg
= massa aliran gas asap kering ( kg gas asap kering /kg
cp
= panas jenis gas asap(dianggap sama dengan udara)
bahan bakar
)
16
= 1,0048 kJ/kgoC T g out
= temperatur gas asap keluar ( oC )
T g in
= temperatur udara masuk (oC )
Besarnya w g ini bisa ditentukan dengan memakai teori pembakaran, unsur-unsur kimia yang terlibat dalam proses pembakaran adalah C, S, H 2 , N 2 , O 2 , dan H 2 O. Kesemua unsur diatas kecuali N 2 dan O 2 tidak dapat bereaksi dengan O 2 dari gas asap. Sedangkan gas asap terdiri dari CO 2 , H 2 O, SO 2 , CO, N 2 dan O 2 dari keterangan ini bisa disusun reaksi kimia untuk pembakaran. Maka reaksi pembakaran untuk 1 kg bahan bakar adalah : C + O2
CO 2
O 2 yang dibutuhkan = ( C x 32/12 ) kg CO 2 yang terjadi H2 + ½ O2
= ( C x 44/12 ) kg H2O
O 2 yang dibutuhkan = ( H 2 x ½ x 32/2 ) kg H 2 O yang terjadi S 2 + 2O 2
= ( H 2 x 18/2 ) kg
SO 2
O 2 yang dibutuhkan = ( S 2 x 2 x 32/64 ) kg SO 2 yang terjadi
= ( S 2 x 2 x 64/64 ) kg
Abu tidak bereaksi dengan O 2 , dengan demikian yang dibutuhkan per kg bahan bakar O 2 but = [( 8/3 x C ) + ( 8 x H 2 ) + S – O] kg.
b. Kerugian kalor moisture udara pembakar ( Lma ) Dalam perhitungan ini panas laten tidak disertakan karena kebasahan masuk dan meninggalkan proses sebagai uap :
17
Lma = (A/F) act, m, d ω c p, g ( T g out – T g in )
( kJ/kg )
( 2.16 )
ω = kelembaban spesifik ( kg/kg udara) c p, g = panas jenis uap air = 1,926 ( kJ/kgoC ) Kelembaban spesifik dapat dievaluasi dari gambar 2.6 sebagai fungsi dari temperatur tabung kering dan tabung basah dalam oF. Dapat juga dihitung dengan persamaan ( 2.15 ) jika kelembaban relatif ø dan tekanan atmosfir total P atm diketahui :
ω=
0,622 ø Psat Patm − ø Psat
kg air/kg udara kering
( 2.17 )
Gambar 2.6. Kelembaban Spesifik sebagai Suatu Fungsi dari Temperatur Gelembung Kering dan Basah (dari Lorenz, 1952)
c. Kerugian kalor hidrogen ( L H )
18
Kerugian kalor hidrogen termasuk kerugian yang diakibatkan oleh menguapnya kebasahan didalam bahan bakar dan kerugian akibat panas laten kebasahan yang dihasilkan dari pembakaran hidrogen didalam bahan bakar : L H = ( M + 9H 2 )( h s - h w )
kJ/kg
( 2.18 )
M = fraksi massa bahan bakar dari kebasahan ( kJ/kg ) H = hidrogen h s = enthalpi uap pada temperatur T g out ( kJ/kg ) h w = enthalpi uap pada temperatur T g in ( kJ/kg )
jika T g, out melebihi 300 oC h s – h w = 2442 + 2,093 T g, out – 4,187 T g, in jika T g, out lebih rendah dari 300 oC h s – h w = 2492,6 + 1,926 T g, out – 4,187 T g, in
d. Kerugian pembakaran tak sempurna ( L CO ) Adalah kerugian energi akibat terbentuknya karbonmonoksida, bukan karbondioksida, di dalam proses pembakaran. Kerugian pembakaran tak sempurna dapat dihitung melalui persaman berikut :
(2.19)
19
2.4 NERACA KALOR Neraca kalor adalah perimbangan antara “energi masuk“ ( input ) dengan “energi berguna” ( output ) dan “kehilangan energi” ( losses ). Sebagai energi masuk atau suplai energi adalah jumlah hasil energi pembakaran bahan bakar, jadi suplai energi : Q ia = Wf x ( LHV ) kJ/jam atau Q in = ( LHV ) kJ/kg bahan bakar
(2.20)
”Energi berguna” adalah energi yang diserap oleh air sampai terbentuk uap dalam ketel, jadi :
Q out = Ws ( h sat – h a ) kJ/jam
(2.21)
Atau Q out = We ( h sat – h a ) kJ/kg bahan bakar We =
Ws Wf
kg / kgb.b (disebut kelipatan penguapan )
(2.22)
Dimana : h sat = enthalpi uap saturasi kJ/kg h a = enthalpi air pemula “kehilangan energi panas” adalah semua kehilangan panas yang disrbabkan kondisi pembakaran dan peralatan ketel. Jadi secara sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut : Suplai Panas Panas pembakaran
Jumlah
kkal/jam
%
W f × (LHv )
100
W f × (LHv )
100
Distribusi Panas
kkal/jam
%
Konsumsi panas
Ws(Hsat − Ha )
x
Kehilangan panas
Qlost
y
Jumlah
Ws(Hsat − Ha ) + Qlost = W f (LHv )
x + y = 100
Daya guna ketel: ηk = x %
20
Suplai Panas Nilai pembakaran
Jumlah
kkal/jam
%
(LHv )
100
(LHv )
Distribusi Panas
100
kkal/jam
%
Konsumsi panas
Ws(Hsat − Ha )
x’
Kehilangan panas
Qlost
y’
Jumlah
Ws(Hsat − Ha ) + Qlost = (LHv )
x'+ y ' = 100
Daya guna ketel: ηk = x’ % Untuk instalasi uap yang mempergunakan pesawat-pesawat: •
Pemanas lanjut
•
Pemanas udara
•
Pemanas air pemula
Maka neraca panas akan berbentuk sebagai berikut: Suplai Panas
kkal/jam
%
Panas pembakaran
(LHv )
100
Distribusi Panas
kkal/jam
%
Konsumsi panas: • Panas pembentuk uap
We(Hsat − Ha )
x
• Panas pembentuk uap adi
We(H sup − Hsat )
y
• Panas pemanas udara
Wa(ta '−tu )
z
• Panas pemanas air pemula
We(ta '−ta )
u
Wg (tg − tu )
v
panas
Kehilangan panas pada cerobong
w
Kehilangan panas karena lainlain Jumlah
(LHv )
100
Jumlah
(LHv )
100
Daya guna ketel: ηk =(x+y+z+u) % ( dari : Ir. Syamsir A. Muin Pesawat-pesawat konversi energi. 1988 )
21
