Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan Bakar Solar di PT. Mustika Ratu, Tbk. Ridwan ST, MT *), Elbi Wiseno, ST, MT*), Firdaus**) E-mail :
[email protected] *)
Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma
**)
Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma
Abtraksi Karakteristk ketel uap adalah petunjuk atau gambaran spesifik dari ketel uap melalui sifat-sifat pokoknya. Karakteristik ketel pipa api (Loos Basuki) dengan kapasitas 6000 kg / jam menggunakan bahan bakar solar, mempunyai Tekanan kerja 7 kg / cm2, dengan Temperatur uap 180 ºC, Beban ketel spesifik 240,96 kg uap/ m 2. Jam, Faktor penguapan 14,375 kg uap / kg bahan bakar dan Efisiensi sebesar 83 %.
I.
membandingkan teori yang didapat pada
Pendahuluan Seiring
dengan
berkembangnya
bangku kuliah dengan praktiknya.
zaman yang bersamaan dengan kemajuan
II
Landasan Teori
teknologi dan industri proses produksi,
2.1
Definisi Ketel Uap
dimana perkembangan itu nampak dengan adanya
faktor
produktifitas
penunjang
didalam
perusahaan.
Semakin
banyaknya produsen suatu perusahaan yang menempati skala besar, hampir 90 % ketel uap masih tetap dominan untuk dipergunakan. Dimana ketel uap dipakai sebagai
mesinproduksi
baik
secara
langsung maupu tidak langsung. Salah satu
contohnya
PT.
Mustika
Ratu
menggunakan ketel uap sebagai mesin produksi
untuk
mengolah
produk-
produknya. Melihat dari peranan ketel uap tersebut penulis tertarik untuk membahas peranan ketel uap di PT. Mustika Ratu, Tbk.
Dengan
mahasiswa
demikian,
dapat
diharapkan
menerapkan
dan
Ketel uap (boiler) adalah suatu bejana tertutup yang terbuat dari baja digunakan
untuk
menghasilkan
uap.
Didalam dapur (Furnace), energi kimia dari bahan bakar dirubah menjadi panas melalui proses pembakaran dan panas yang dihasilkan sebagian besar diberikan kepada air yang berada didalam ketel sehingga,
pengaruh
dari
proses
pemanasan air tersebut berubah menjadi uap. Uap yang dihasilkan dari sebuah ketel dapat digunakan sebagai fluida kerja maupun media pemanas untuk berbagai
macam
keperluan-keperluan
rumah tangga sampai dengan keperluan industri [1].
2.2
kepingan logam tersebut mencapai Td oK
Proses Terbentuknya Uap Bila
diatas
sekeping
logam
atau
o
C, sedangkan kecepatan gerak
terdapat beberapa tetes air, dan kita
molekul-molekul
perhatikan molekul-molekul air tersebut,
mencapai
temperatur air pada saat itu ialah T0 o
atau
C.
bergerak
Molekul-molekul bebas
air
kesana-kemari
o
K
Vd
air
tersebut
meter/detik,
molekul-molekul
air
telah
sehingga
tersebut
mampu
tersebut
melepaskan diri dari lingkungannya, dan
dalam
mampu melepaskan diri dari gaya tarik-
lingkungannya (lingkungan air) dengan
menarik
kecepatan gerak V0 meter/detik. Molekul-
tersebut.
molekul tersebut dalam gerakannya belum
melepaskan
dapat meninggalkan lingkungannya karena
tersebut akan berubah menjadi molekul
adanya gaya tarik-menarik antara molekul-
uap yang kecepatan gerakannya melebihi
molekul air itu sendiri. Apabila di bawah
kecepatan
kepingan logam tersebut dipasang api,
yang semula.
batang lilin, korek api dan sebagainya sedemikian
sehingga
api
tersebut
memanasi kepingan logam yang diatasnya terdapat
beberapa
tetes
air,
antara
molekul-molekul
Molekul-molekul diri
dari
gerak
air
air yang
lingkungannya
molekul-molekul
air
Proses yang demikian ini disebut “proses
penguapan”
atau
“proses
[1]
pembentukan uap” .
maka
temperatur air tersebut akan naik menjadi T1
o
K atau oC, dan ternyata kecepatan
gerak dari molekul-molekul air tersebut akan bertambah menjadi V1 meter/detik, namun belum mampu melepaskan diri dari
Gambar 2.1. Proses Terbentuknya Uap [1]
lingkungannya.
2.3
Apabila
yang
secara umum ketel dibedakan
logam
dalam dua golongan utama yaitu ketel
tersebut ditambah besarnya (menjadi dua
pipa api (Fire Tube Boiler) dan ketel pipa
batang lilin, dsb) maka temperatur air
air
diatas
membedakan
dipasang
dibawah
kepingan
bertambah
kemudian
api
Klasifikasi Ketel Uap
kepingan
logam tersebut akan
menjadi
T2
o
K
atau
o
(Water
Tube
[3]
Boiler)
secara
.
Untuk
terpeinci,
ketel
C,
dapat digolongkan menurut peninjauan
sedangkan kecepatan gerak dari molekul-
dari berbagai segi terhadap ketel tersebut
molekul bertambah menjadi V2 meter/detik,
yakni :
namun masih belum mampu melepaskan
2.3.1
diri dari lingkungannya. Dan apabila api
a) Ketel Pipa Api (Fire Tube Boiler)[3]
Menurut Isi Pipanya
yang dipasang dibawah kepingan logam
Pada ketel jenis ini nyala api dan gas
tersebut senantiasa ditambah besarnya,
panas diperoleh dari hasil pembakaran
sedemikian hingga temperatur air diatas
bahan
bakar
untuk
men-transfer
panasnya. Gas panas dilewatkan melalui
Wilcox, Ketel Lamont, Ketel Yarrow, dan
pipa-pipa
Ketel Loeffer.
disekitar
dinding
luar
yang
dikelilingi oleh air atau uap yang telah terbentuk.
Gambar 2.2 Bagan Ketel Pipa Api
Gambar 2.3 Bagan Ketel Pipa Air [3]
[3]
2.3.2
Menurut Posisi Dapur Menurut posisi dapurnya, ketel
dapat digolongkan sebagai [4] :
b) Ketel Pipa Air (Water Tube Boiler) [3]
a) Ketel Pengapian Dalam (Internal
Ketel yang termasuk kedalam pipa ini
Fired Boiler)
adalah ketel yang peredara airnya terjadi
b) Ketel Pengapian Luar (External
didalam pipa-pipa yang dikelilingi oleh
Fired Boiler)
nyala api dan gas panas dari luar susunan pipa. Kontruksi pipa-pipa yang dipasang
Pada ketel jenis pengapian dalam, dapur
didalam
lurus
(furnace) tempat pengapian ditempatkan
(Straight Tube) dan juga dapat berbentuk
didalam shell. Kebanyakan dari ketel pipa
pengkolan (Bend Tube) tergantung dari
api memiliki pengapian dalam (Internal
jenis
Fired Boiler) dimana pembakaran bahan
ketel
dapat
ketelnya.
berbentuk
Pipa-pipa
yang
lurus
dipasang secara paralel didalam ketel
bakar
dihubungkan dengan Header, kemudian
sendiri.dan hasil dari pembakarannya
Header
tersebut
diterima langsung dari shell tersebut.
bejana
uap
horizontal gambar
dihubungkan
yang
diatas (2.3).
dipasang
susunan
Susunan
dengan
didalam
shell
itu
secara
pipa,
pipa
dilakukan
lihat
diantara
kedua Header mempunyai kecondongan 0
2.3.3
Menurut Penggunaan
a)
Utillity Boiler Memproduksi
uap
untuk
tertentu (sekitar 15 dari garis datar) hal ini
pembangkit
dimaksudkan agar dapat menimbulkan
besar, tekanan dan temperatur uap tinggi,
peredaran air dalam ketel. Contoh ketel
efisiensi tinggi, dapur dinding pipa air
yang
ini
dengan burner, bila dengan tekanan lebih
adalah Ketel Benson, Ketel Babcock and
besar dari 14 Mpa biasanya dengan
termasuk
kedalam
golongan
reheater.
tenaga
listrik.
Kapasitas
b)
Digunakan sebagai utillity boiler,
Industrial Boiler Memproduksi
untuk
kapasitas besar, sirkulasi once-through
pemanasan dan proses. Biasanya memiliki
atau kombinasi, dengan reheater ; harus
kapasitas
dan
dipertimbangkan pencegahan terhadap
dapur
pseudo-film boilling dan korosi karena
yang
temperatur
uap
uap
kecil, lebih
tekanan rendah,
dengan burner, stoker atau fluidized bed,
temperatur tinggi.
tanpa reheater.
2.4
Bagian-bagian Ketel Uap
a)
Pemanas Lanjut Uap
c)
Marine Boiler
(Steam Superheater)
Memproduksi uap sebagai sumber penggerak
kapal.
Bentuknya
kompak,
Pemanas Superheater)
Lanjut ialah
Uap
(Steam
alat
untuk
bobot lebih ringan, biasanya menggunakan
memanaskan uap kenyang menjadi uap
bahan bakar minyak, tanpa reheater.
yang
dipanaskan
lanjut.
Uap
yangdipanaskan lanjut digunakan intuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi 2.3.4
Berdasarkan Tekanan Kerja
didalam turbin atau mesin uap tidak akan
a)
Boiler Bertekanan Rendah dan
segera
Sedang (< 10 Mpa)
Boiler,
mengembun,
mengurangi
sehingga
kemungkinan
timbulnya timbulnya
Digunakan
sebagai
industrial
bahaya
yang
disebabkan
sirkulasi
natural,
beberapa
pukulan
balik
(Back
Stroke)
yang
diantaranya dengan Boiler bank, dapur
diakibatkan mengembunnya uap belum
dengan burner atau stoker, tanpa reheater.
pada waktunya sehinnga menimbulkan
b)
Boiler Tekanan Tinggi (10-14 Mpa)
vakum ditempat yang tidak semestinya
Digunakan sebagai utillity boiler,
didaerah ekspansi.
biasanya dengan reheater hanya bila tekanannya > 14 Mpa, dan menggunakan
b)
Ekonomiser Gas asap setelah meninggalkan
sirkulasi natural.
superheater temperaturnya masih sangat
c)
tinggi sekitar 500
Boiler Dengan Tekanan Sangat
Tinggi (> 17 Mpa)
o
C hingga 800
o
C,
sehingga akan menimbulkan kerugian
Digunakan sebagai utillity boiler,
panas yang besar apabila gas asap
sirkulasi natura atau paksa, tergantung dari
tersebut
pada
aproach,
cerobong. Gas asap yang masih panas
dengan reheater ; harus dipertimbangkan
ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi
pencegahan terhadap film boilling dan
air terlebih dahulu sebelum dimasukan
korosi karena temperatur tinggi.
kedalam drum ketel, sehingga air telah
d)
dalam keadaan panas, sekitar 30 hingga
engineering-economical
Boiler Tekanan Super Kritis
(> 22,1 Mpa)
langsung
dibuang
melalui
50 oC dibawah temperatur mendidihnya.
Air yang telah dalam keadaan panas pada
dalam keadaan panas masuk kedalam
saat masuk kedalam drum ketel membawa
tungku, membantu untuk mempercepat
keuntungan karena ditempat air masuk
penguapan air yang terkandung dalam
kedalam drum, dinding tidak mengerut
bahan
sehingga drum ketel dapat lebih awet
mempercepat
dengan
pembakaran
demikian
biaya
perawatannya
akan menjadi lebih murah. Keuntungan
tungku.
yang kedua adalah dengan memanfaatkan
d)
gas
asap
yang
masih
mempunyai
bakar
sehingga
akan
berlangsungnya bahan
bakar
didalam
Cerobong Asap Cerobong
digunakan
untuk
temperatur yang tinggi tersebut untuk
mengalirkan gas asap keluar dari ketel
memanasi air sebelum masuk kedalam
uap atau dengan kata lain digunakan
drum ketel, berarti akan memperbesar
untuk membuang gas asap setinggi
efisiensi dari ketel uap, karena dapat
mungkin
memperkecil kerugian panas yang diderita
lingkungan disekitar.
oleh ketel.
2.5
c)
Pemanas Udara (Air Preheater)
Segala sesuatu zat (padat, cair, gas)
Gas asap keluar dari memanasi
yang digunakan sebagai bahan yang
ekonomiser
masih
hingga 700
bertemperatur
sehingga
tidak
menggangu
Bahan Bakar
400
dibakar pada berbagai cara atau metode
C sehingga sayang bila
proses pembakaran disebut bahan bakar.
o
dibuang langsung lewat ceobong, karena
Menurut
panas yang terkandung dalam gas asap
terbagi dalam tiga kelompok, yaitu :
tersebut masih dapat dimanfaatkan lagi
bahan bakar padat, bahan bakar cair dan
untuk
memanaskan
dimasukan
kedalam
klasifikasinya
udara
sebelum
bahan bakar gas.
tungku,
sehigga
2.5.1
bahan
bakar
Bahan Bakar Padat
efisiensi thermis ketel uap masih dapat
Bahan bakar padat yang terdapat dibumi
dinaikan
udara
kita ini berasal dari zat-zat organik. Bahan
pembakaran sebelum dimasukan kedalam
bakar padat mengandung unsur-unsur
tungku
kebutuhan
antara lain : Zat arang atau Karbon (C),
panas untuk menaikan temperatur udara
zat lemas atau Nitrogen (N), Hidrogen
didalam tungku, sehingga api didalam
(H), Belerang (S), zat asam atau Oksigen
tungku tidak banyak mengalami penurunan
(O) Abu dan Air yang kesemuanya itu
temperatur, sehingga dapat mengurangi
terikat dalam satu persenyawaan kimia.
kemungkinan api didalam tungku yang
2.5.2
tiba-tiba
lagi.
berarti
padam
Memanaskan
mengurangi
dengan
Bahan Bakar Cair
sendirinya.
Bahan bakar cair berasal dari
Manfaat lain dengan memanaskan udara
minyak bumi. Minyak bumi didapat dari
pembakar terlebih dahulu sebelum masuk
dalam tanah dengan jalan mengebornya
kedalam tungku adalah udara yang telah
pada
ladang-ladang
minyak,
dan
memompanya sampai ke atas permukaan
menunjukan tidak cukup udara dan bila
bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut
gas asap berwarna putih menunjukan
menjadi berbagai jenis minyak bakar.
terlalu
2.5.3
Bahan Bakar Gas
untuk pembakaran yang sempurna gas
Didalam tanah banyak terkandung
asap berwarna cokelat.
banyaknya
udara.
mengetahui
Sedangkan
: Gas Bumi (Petrol Gas) atau sering
Untuk
jumlah
udara
disebut pula dengan gas alam, yang timbul
pembakar dapat dilihat pada persamaan
pada saat proses pembentukan minyak
sebagai berikut :
bumi, gas tambang, dan gas rawa CH4 (Methane). Seperti halnya dengan minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran dari dalam tanah, baik di daratan
maupun
terhadap
pada
lokasi-lokasi
lepas yang
pantai
C + O2 = CO2
untuk
melakukan
persenyawaan
tersebut diperlukan suhu. Pada peristiwa pembakaran, proses yang terjadi adalah
C + O2 = CO2
(2.1)
2 H + O2 = 2H2O
(2.2)
S + O2 = SO2
(2.3)
1 kg C + 2,67 kg O2 = 3,67 kg CO2
Hidrogen(H) terbakar sempurna
menjadi H2O, menurut Persamaan [1] 4 H + O2 = 2 H2O
1 kg H +
Dikatakan pembakaran sempurna apabila campuran bahan bakar dan oksigen (dari udara) mempunyai perbandingan yang tidak
32 44 kg O2 = kg CO2 12 12
(2.5)
4 kg H + 32 kg O = 2 x 18 kg H2O
oksidasi dengan reaksi.
sehingga
(2.4)
12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2
Pembakaran
kimia antara bahan bakar dengan oksigen,
tepat,
menjadi CO2, menurut Persamaan [1]
1 kg C +
Pembakaran ialah persenyawaan
dan
Karbon (C) terbakar sempurna
diduga
terdapat kandungan gas alam. 2.6
diperoleh
sisa.
Apabila oksigen terlalui banyak maka
2 x 18 32 kg O = kg H2O 4 4
1 kg H + 8 kg O = 9 kg H2O
Belerang (S) terbakar sempurna
menjadi SO2, menurut persamaan [1] S + O2 = SO2
(2.6)
32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2
dikatakan campuran kurus, dan bila bahan bakarnya terlalu banyak (oksigen tidak
1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2
cukup) maka dikatakan dengan campuran
Disamping itu diketehui pula 1 kg udara
kaya
mengandung 0,231 kg O2, sehingga
(rich).
mengakibatkan
Sehingga tidak
dapat
sempurnanya
pembakaran. Bila gas asap yang keluar dari cerobong berasap hitam, hal ini
kebutuhan udara dapat dihitung [1]
2.6.1
Pembakaran Bahan Bakar Padat
2.6.3
Pembakaran Bahan Bakar Gas
Pada pembakaran bahan bakar
Pembakaran bahan bakar yang
padat mula-mula akan membentuk gas
berupa gas yang hampir keseluruhannya
atau yang biasa disebut mengegas (Ont
terdiri dari karbon dan hidrogen dimulai
Gassing),
berlangsungnya
dengan menguraikan gas-gas, hingga
distilasi kering kemudian mengakibatkan
menghasilkan CO dan H2 apabila oksigen
terurainya gas-gas tersebut lebih lanjut
mencukupi.
menjadi CO2 dan H2 (Water Gas) dan akan
berlangsung didalam kerucut bunga api
terbakar
pada
waktu
[1]
Penguraian
gas-gas
ini
. Selanjutnya arang atau kokas
yang paling dalam, pada temperatur yang
yang tertinggal (yang semuanya terdiri dari
lebih rendah dari pada temperatur bila
karbon) akan menguap atau sublimasi
pembakaran
terlebih dahulu, kemudian akan terbakar
sepenuhnya. Pembakaran CO dan H2
menjadi CO2 apabila oksigen mencukupi.
yang terbentuk dilakukan oleh oksigen
Udara pembakar yang diperbolehkan untuk
dari
mengegaskan
disekeliling bunga api, akan berlangsung
disebut
udara
primer,
udara
telah
skunder
yang
pada
menjadi
lapisan yang tipis yang tidak bercahaya
disebut
dengan
udara
skunder.
yang
mengalir
sedangkan udara untuk membakar CO CO2
temperatur
berlangsung
tinggi,
pada
dari bunga api yang berlangsung sangat cepat, bila oksigen mencukupinya.
2.6.2
Pembakaran Bahan Bakar Cair Sebelum
pembakaran
yang
2.7
Perpindahan Panas Ketel Uap
sebenarnya berlangsung maka terlebih
Panas yang dihasilkan karena
dahulu bahan bakar cair tersebut diuapkan
pembakaran bahan bakar dan udara,
dan diuraikan menjadi gas-gas
[1]
. Bahan
yang berupa api (yang menyala) dan gas
bakar cair pada umumnya, terdiri dari
asap (yang tidak menyala) dipindahkan
karbon (85-87)% dan hidrogen (12-15)%
kepada air, uap dan udara, melalui
ditambah sedikit O2, N2, dan S2. dalam hal
bidang
ini karena kandungan hidrogen yang cukup
surface), pada suatu instalasi ketel uap
tinggi, maka pada saat penguraian dengan
dengan tiga cara, yaitu antara lain :
temperatur yang cukup tinggi, karbon dan
a)
hidrogen lama masih dalam keadaan
Pancaran (Radiasi)
terikat.
Dengan
pembakaran
bahan
demikian bakar
cair
pada dapat
yang
dipanaskan
Perpindahan
Perpindahan pancaran
atau
(heating
Panas
Secara
panas
secara
Radiasi
adalah
dicapai bentuk bunga api yang hampir-
perpindahan panas antara suatu benda
hampir sempurna seperti halnya pada
terhadap benda lain dengan jalan melalui
pembakaran bahan bakar gas.
gelombang-gelombang
elektromagnetic
tanpa tergantung kepada
ada atau
tidaknya media maupun zat diantara benda
q
yang
panas
menyentuh dinding ketel maka panasnya
tersebut. Panas radiasi adalah
dibagikan sebagian, yaitu q1 Joule pada
panas yang dipancarkan dari suatu media
dinding ketel, selebihnya q2 = q - q1 Joule
panas ke media yang dingin dan besarnya
dibawanya pergi. Bila gerakan-gerakan
tergantung
perbedaan
molekul yang melayang-layang tersebut
temperatur, dan warna media yang
disebabkan kerena perbedaan temperatur
menerima
pancaran
pada
Joule.
Pada
panas pada radiasi bertambah dengan
perpindahan panasnya disebut dengan
naiknya
ini
konveksi bebas (Free Convection) atau
bergantung dari beberapa faktor namun
konveksi alamiah (Natural Convection).
yang
luas
Apabila gerakan-gerakan dari molekul
terkena
tersebut sebagai akibat dari kekuatan
paling
permukaan
terutama
pipa
hal
adalah
(tube)
yang
sendiri,
fluida
didalam
dapur,
itu
molekul
menerima panas tersebut. Penyerapan
temperatur
fluida
saat
maka
pancaran panas.
mekanis (karena dipompa atau dihembus
Adapun banyaknya panas yang diterima
dengan fan) maka perpindahan panasnya
secara pancaran atau Qp berdasarkan dari
disebut dengan konveksi paksa (Forced
rumus Stephan-Boltzman adalah sebesar :
Convection).
4
4
Qp = Cz . F . [(Tapi : 100) – (Tbenda : 100) ] kJ / jam [1]
(2.7)
Dimana, Cz :
Konstanta pancaran dari Stephan-
Boltzman yang dinyatakan dalam kJ/m2. Jam . K4. Bila Cz dinyatakan dalam Watt/m2 . K4 maka harga Qp dinyatakan dalam
Gambar 2.4 Perpindahan Panas Dengan Cara Aliran (Konveksi) [1]
Watt [1] F:
Luas
bidang
yang
dipanasi,
aliran (Konveksi) adalah:
dinyatakan dalam m3. T:
Jumlah panas yang diserahkan secara
Temperatur dalam Kelvin.
Qk = α . F . (Tapi - Tdinding) kJ/Jam [1]
(2.8)
Dimana, b)
Perpindahan Panas Secara Aliran Perpindahan panas secara aliran
atau konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair ataupun gas) molekul-molekul fluida
tersebut
dalam
gerakannya
membawa sejumlah panas masing-masing
α:
Angka peralihan panas dari api
ke dinding ketel dinyatakan dalam kJ/m2. Jam . K Bila α dinyatakan dalam kJ/m2. Jam . K maka, Qk dinyatakan dalam kJ /Jam
Sedangkan bila α dinyatakan dalam Watt / 2
m . K, maka Qk dinyatakan
dalam
Td2 : Luas
bidang
yang
dipanasi,
3
(ºK).
T:
Temperatur dalam Kelvin.
2.8
c)
Perpindahan
Secara
Rambatan (Konduksi)
atau
Nilai Pembakaran Nilai
pembakaran
panas
secara
tinggi atau Highest Heating Value (HHV)
konduksi
adalah
dan nilai pembakaran rendah atau Lowest
perpindahan panas dari suatu bagian
Heating Value (LHV).
benda padat ke bagian benda lain dari
a)
benda padat yang sama, atau dari benda
Highest Heating Value (HHV)
padat yang satu ke benda padat yang lain karena
terjadinya
biasanya
dinyatakan dalam istilah nilai pembakaran
Perpindahan rambatan
Temperatur dinding ketel yang
berbatasan denga air, uap atau udara
diyatakan dalam m .
Panas
Temperatur dinding ketel yang
berbatasan dengan api (ºK)
Watt. F:
Td1 :
persinggungan
fisik
Nilai pembakaran tinggi atau
Jumlah panas yang diperoleh dari hasil pembakaran sempurna disetiap 1 kg
(menempel), tanpa terjadinya perpindahan
bahan
molekul-molekul
pembakarannya didinginkan sampai pada
dari benda
padat itu
bakar
kemudian
hasil
dari
sendiri.
temperatur kamar, maka jumlah panas
Jumlah panas yang dirambatkan (QR)
yang dihasilkan disebut dengan
melalui dinding ketel adalah sebesar :
kalori tinggi. Dalam hal ini adalah uap air
QR =
x F x (Td1 – Td2) S
kJ / Jam
yang terbentuk dari
[1]
(2.9)
dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk.
Angka peranbatan panas didalam
dinding ketel dinyatakan dalam kJ/m x
b)
Sedangkan
Bila λ dinyatakan dalam kJ/m. Jam Apabila λ dinyatakan dalam Watt / m2 x K, maka QR dinyatakan dalam
pembakaran
uap
air
yang
terbentuk
dari
hasil
pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih dahulu, sehingg panas pengembunannya
Watt. Tebal dinding ketel dinyatakan
tidak ikut serta untuk diperhitungkan sebagai panas pembakaran bahan bakar
dalam meter (m) Luas
nilai
rendah atau Lowest Heating Value, (LHV)
.K, maka QR dinyatakan dalam kJ/Jam
F:
Nilai pembakaran rendah atau
Lowest Heating Value (LHV)
Jam x K
S:
hasil
pengembunannya turut dihitung serta
Dimana, λ:
nilai
dinding
merambatkan panas.
ketel
yang
tersebut.
Untuk pembakaran cair dan gas dapat
Tebal Pipa Api :3 mm
dihitung dengan menggunakan persamaan
Luas Total Bidang Pemanas: 24,9 m2
HHV = 33915 C + 144033 (H – O/8) + 10468 S (kJ/kg) [1]
Panjang Ketel Uap Total :
(2.10)
2145 mm
Tinggi Ketel Uap Keseluruhan:
LHV = 33915 C + 121423 (H – O/8 ) +
3205 mm.
10468 S – 2512 (W +9xO/8) (kJ/kg) (2.11)
3.2
Kebutuhan Panas, Panas
Penguapan, dan Pengertian Entalpi Sedangkan untuk bahan bakar padat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
HHV = 33823 x C + 144206 x (H2 – O2 / 8) + 9419 x S (kJ/kg) [1]
(2.12)
LHV = HHV – (9 H2 x 586) (kJ/kg) [1]
(2.13)
III. Ketel Uap 3.1 Spesifikasi Ketel Pipa Api
Gambar 3.1 Sebuah Bejana yang
(Loos Basuki Boiler)
Didalamnya Terdapat 1 kg air dan uap [1]
Ketel Uap : Loos Basuki Boiler
Tahun Pembuatan :
Supllier : PT. Reka Boiler Utama.
berisi 1 kg air dan uap, kemudian
Kapasitas Uap : 6000 kg / jam
dipanaskan.
1993
Didalam gambar tersebut sebuah bejana
Tekanan
air
dan
uap 2
Tekanan Operasi : 7 kg / cm2
tersebut konstan sebesar (P, kg/cm ) dan
Tekanan Maksimal : 10 kg / cm
Bahan Bakar : Solar
Apabila tekanan uap dalam bejana naik
Panjang Ketel Uap : 3250 mm
melebihi (P, kg/cm2), maka uap akan
Diameter Drum Dalam Ketel :
keluar melalui lubang E. Uap yang
2050 mm
dihasilkan adalah uap jenuh karena uap
2
diberi pemberat (G) kg diatas torak (P).
Panjang Silinder Api :
2700 mm
dalam keadaan seimbang dengan air
Diameter Silinder Api : 1000 mm
sehingga jumlah panas yang dibutuhkan
Jumlah Pipa : 186 Pipa Api
sebanyak Q1 kJ/kg air dan uap.
Tebal Badan Ketel Uap :14 mm
Tebal Plat Tungku : 16 mm
Diameter Luar Pipa Api : 68 mm
Q1 = Panas jenis air x (T1-T0) [1]
(3.1)
= kJ / kg air dan uap. Dimana, panas jenis air = 4,187 kJ / kg x ºC [1].
Panas penguapan adalah jumlah panas yang
dinyatakan
dalam
(kJ/kg)
yang
Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC menjadi
uap
jenuh
pada
dibutuhkan untuk memanaskan 1 kg air
temperatur Tdk dan tekanan, P
menjadi uap pada temperatur mendidihnya
(kg/cm2) kg/cm2 sebesar I” kJ/kg
(TdºC) dan bertekanan (P, kg/cm2). Jika air
menjadi :
dalam bejana dipanaskan terus-menerus
I” = Wd + r [1]
maka,
Dimana, I” =
uap
dalam
bejana
akan
naik
temperaturnya dan uap jenuh tersebut
Jumlah
panas
menjadi uap panas lanjut pada
dibutuhkan untuk mengubah 1 kg
temperatur Tu (ºC) dan tekanan P
uap
(P1)
(kg/cm2) sebesar I’ (kJ/kg) adalah
kg/cm2 dan temperatur (Td1) ºC,
I’ = I” – Cp (Tu - Td) = Wd + r + Cp
menjadi uap panas lanjut dengan
(Tu - Td) [1]
tekanan
pada
tekanan
2
(P1)
kg/cm
dan
dari persamaan sebagai berikut
[1]
Entalpi uap panas lanjut (kJ/kg),
:
yaitu banyaknya panas yang
Qu1 = 1 x Cp x (Tu1 – Td1) kJ / kg [1]
(3.4)
Dimana, I’ =
temperatur (Tu1) ºC, dapat dihitung
dibutuhkan untuk mengubah 1 kg (3.2)
air pada temperatur 0 ºC untuk
Dimana ; Cp = Panas jenis uap
menjadi uap panas lanjut pada
pada tekanan konstan (P1, kJ/kg).
temperatur (Tu) ºC dan tekanan
Tu1 = Temperatur uap panas lanjut
(P) kg/cm2.
(ºC) Td1 = Temperatur air mendidih (ºC) 2
Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC
yang
jenuh
(Qu1)
Entalpi uap jenuh (kJ/kg).
berubah menjadi uap panas lanjut.
(3.3)
Jumlah Kebutuhan Panas (Q) Banyaknya
panas
pada tekanan (P1, kg/cm ).
dibutuhkan
Dengan demikian seluruh jumlah
pada ketel uap, biasanya
panas untuk :
dinyatakan dalam satuan (kJ/kg),
Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC
biasanyamenggunakan
dengan
persamaan sebagai berikut :
temperatur
(Tdk)
dan
2
untuk
yang
tekanan, (P) kg/cm adalah sebesar
Q = S x (∆IK + ∆IR)
Wd (kJ/kg). Dimana, Wd = Entalpi
(kJ/Jam) [2]
air
Dimana,
mendidih
(kJ/kg),
yaitu
pemanasan
(3.5)
banyaknya panas yang dibutuhkan
S = Produksi uap
oleh 1 kg air pada temperatur 0 ºC
P = Tekanan kerja ketel uap
untuk dijadikan air
tu = Temperatur uap keluar ketel
mendidih
pada temperatur (Tdk) dan tekanan 2
(P) kg/cm .
ta = Temperatur air masuk ekonomiser.
∆IK = Entalpi uap keluar ketel – Entalpi air
Efisiensi Ketel Uap (ηk)
masuk Ekonomiser ∆IR = Entalpi uap keluar reheater – Entalpi uap masuk reheater.
yang
dihasilkan
oleh
ketel
uap
Dapat dilihat dari persamaan :
S (kg uap / m2 Jam) [2] F
sederhana
pada
uap
air
mulanya
yang berasal
efisiensi
dapat
dijelaskan
sebagai perbandingan energi keluaran dengan energi masukan (input – output).
(3.6)
pada ketel uap berasal dari energi bahan bakar. Sedangkan energi keluaran pada ketel uap dinyatakan dengan banyaknya energi
dalam
bentuk
panas
yang
Luas Bidang yang Dipanaskan (F)
terkandung oleh uap air didalam ketel
Adalah luas bidang ketel uap yang
uap, maka didapat rumus sebagai :
dipanaskan api baik kepada air atau uap. Dapat
dari
Energi masukan merupakan energi awal
Dimana ; F = 24,9 m2
(entalpi)
dari energi panas bahan bakar. Secara
terhadap luas bidang yang dipanaskan.
Le =
dalam
dihasilkan
Beban Ketel Spesifik (Le) Merupakan perbandingan antara
uap
Pada instalasi ketel uap terdiri
digunakan
persamaan
ηk =
sebagai
(h1 h2) x100% LHV
(3.9)
berikut : F=
Q (m2) [2] K x t rata rata
Dimana, ∆t
rata-rata
(3.7)
= Selisih temperatur rata-
rata api atau gas asap terhadap air maupun uap K
=
Angka
perpindahan
panas
perbandingan
antara
jumlah uap yang dihasilkan terhadap pemakaian
Air pada temperatur 29 oC (121,4 kJ/kg) masuk ke pemanas air pada temperatur 50 oC (209,3 kJ/kg) kemudian dipompa masuk
kedalam
ketel,
uap
yang
tekanan operasi 7 kg / cm2 pada
Faktor Penguapan (Ev) Adalah
Instalasi Tenaga Uap
dihasilkan sebesar 6000 kg / Jam dengan
(kJ/m2 Jam ºC)
3.3
bahan
bakar.
Uap bekas dari proses dying pada tekanan 0.004 Mpa (temperatur 29 oC) menuju
Dinyatakan dalam persamaan :
kondensor.
Air
dari
pompa
kondensor menuju ke bak pengumpul air,
S Ev = Be (kg uap / kg bahan bakar)[2]
temperatur 180 oC menuju mesin Dying.
seperti gambar dibawah ini : (3.8)
21
9 10
B O I L E R
20
11
12 14
8
7
13 14
6
15
5 19
18
2
16
1
17
4
3 Gambar 3.2 Instalasi Tenaga Uap
Keterangan Gambar :
12.
Uap bekas menuju ke kondensor
1.
Tangki air
13.
Kondensor
2.
Keran air
14.
Keran pendingin kondensor
3.
Bak air pengumpul
15.
Embun air yang terkumpul
4.
Air yang dihisap oleh pompa air
kondensor
pengisian
16.
Pompa air kondensat
5.
Pompa air pengisian ketel
17.
Air dari pompa kondensat
6.
Air dipompa masuk kedalam
18.
Bahan bakar yang dimasukan
pemanas air
kedalam tungku
7.
Pemanas air
19.
Udara pembakar
8.
Air dipompa masuk kedalam ketel
20.
Boiller
9.
Uap menuju kemesin Dying
21.
Gas asap keluar dari cerobong
10.
Keran pengumpul uap
11.
Mesin Dying (pengering uap)
asap
3.4
Aliran Gas Pada Ketel Pipa Api
3.5
Termodinamika Ketel Uap
Gas panas dari hasil pembakaran bahan bakar dan udara didalam ruang bakar akan mengalir
sepanjang
silinder
api
dan
memanasi air disekeliling silinder api. Api atau gas panas dari silinder menuju kamar nyala api melalui pipa api memanasi air pada bagian muka dari ketel dipasang ruang asap yang melingkungi seluruh ujung-ujung pipa api, dimana gas asap keluar dari pipa-pipa api dapat berkumpul. Gas asap keluar melalui cerobong asap,
Gambar 3.4 Diagram T-S [5]
ditengah bagian atas drum ketel terdapat sebuah dom uap (Steram Dome), disinilah seluruh uap yang terbentuk dikumpulkan. Keran pipa tempat untuk pengambilan uap kenyang juga terdapat didalam steam
Keterangan Gambar : A-B:
Pemanasan air pengisi ketel
(Sensibel Kalor)
dome [2] Perhatikan diagram alir berikut ini, B-C:
Perubahan fase air ke fase uap
pada temperatur konstan (Kalor Laten)
C-D:
Uap berekspansi dalam
penggunaannya (Proses Dying)
D-A:
Kondensasi uap pada temperatur
konstan dalam kondensor
K:
Titik kritis
Pada umumnya ketel uap yang dipakai pada
dunia
industri
terbatas
pada
temperatur uap jenuh, sedangkan ketel uap
yang dipakai
untuk
pembangkit
tenaga uap dalam skala besar umumnya menggunakan pemanas lanjut. Gambar 3.3 Diagram Aliran Gas Panas Pada Ketel Pipa Api [2]
IV
Analisa Perhitungan
Tabel 4.3 Komposisi Unsur Kimia
4.1
Data Pengoperasian Bahan
Didalam Bahan Bakar Yang Digunakan (Dalam % Berat) [4]
Bakar Loos Basuki Steam Boiler Didalam menganalisa perhitunganperhitungan karakteristik ketel uap, proses perhitungannya
berdasarkan
Komposisi
kepada
jumlah pemakaian bahan bakar rata-rata
Berat
Perbandingan
Berat
Dalam
Molekul (kg)
Molekul
%
pengoperasian ketel uap selama 10 jam di
C
86,10
0,861
12
H2
11,90
0,119
2
O2
0,28
0,0028
32
N2
0,20
0,002
28
S
1,3
0,013
32
PT. Mustika Ratu, Tbk dimana data-data pada pengoperasiannya terdapat pada tabel berikut ini :
Tabel 4.1 Data Pengoperasian Bahan Bakar Operasi Boiler
Bahan Bakar (kg)
Tekanan Uap 2 (kg/cm )
Uap Yang Dihasilkan (kg/Bb)
7,0
Suhu Air Masuk o ( C) 50
1
415,3
2 3 4 5 6 7 8 9 10
415,8 417,5 418,2 416,9 417,3 417,4 418,8 418,9 417,8
7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0
50 50 48 49 50 50 50 49 50
6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000
6000
4.2
Diagram Alir Perhitungan Ketel Uap
Tabel 4.2 Bahan Bakar Untuk Ketel Uap (ASTM Standart D-396)
S F
[4]
Karbon (C)
86,10 %
Hidrogen (H2)
11,90 %
Oksigen (O2)
0,28 %
Nitrogen (N2)
0,20 %
Sulfur (S2)
1,3 %
Abu (A)
0,02 %
Air (W)
0,2 %
S Be
( h1 h 2) X 100 % Q Low
Gambar 4.1 Diagram Alir Perhitungan Ketel Uap
4.3
Dimana:
Nilai Pembakaran Bahan Bakar
(Heating Value)
S : Produksi uap = 6000 kg/jam
HHV
P : Tekanan kerja = 7 kg/ cm2
=
33915 x 0,861 + 144033 x
(0,119 -0,0028 / 8) + 10468 x 0,013
tu : Temperatur uap keluar ketel = 180 oC
= 46.426,41 kJ/kg LHV
=
33915 x 0,861 + 121423 x
ta : Temperatur air masuk ekonomiser = 50 oC
(0,119 – 0,0028 / 8) + 10468 x 0,013 –
∆IK : Entalpi uap keluar ketel –
2512 x (0,002 + 9 x 0,0028 / 8 ) = 43.730,80 kJ /kg 4.4
Entalpi air masuk ekonomiser ∆IR : Entalpi uap keluar reheater –
Nilai Entalpi ∆IK = I“ – Wd
Entalpi uap masuk reheater ∆IK : 2252,89 kJ /kg
Entalpi Uap (hu), Entalpi uap jenuh 2
∆IR : 0, (tanpa reheater).
(I“) pada tekanan kerja 7 kg/cm
berdasarkan tabel uap jenuh maka didapat [1] :
Beban Ketel Spesifik (Le)
I“ = 2.762 kJ /kg
Entalpi Air (ha), pada temperatur
Le =
air masuk ekonomiser (50 ºC) dengan
menggunakan
=
rumus
interpolasi, maka didapat :
6000 kg / jam 24,9 m2
Le = 240,96 kg uap / m2 Jam
Wd = 192 + (251 - 192) x
S (kg uap / m2 Jam) F
50 45,8 60,1 45,8
Wd = 209,11 kJ /kg
Faktor Penguapan (Ev) Ev =
Sehingga : ∆IK = I“ – Wd
=
= 2.762 kJ /kg – 209,11 kJ/kg
S Be 6000 kg / jam 417,39 kg bahan bakar
Ev = 14, 375 kg uap / kg bahan
= 2552,89 kJ /kg
bakar 4.5
Perhitungan-perhitungan Karakteristik Ketel Uap
Kebutuhan Panas (Q)
ηk =
Q = S x (∆IK + ∆IR) kJ/jam = 6000 kg/jam x 2252,89 kJ /kg Q = 15.317.340 kJ/jam
Efisiensi Ketel Uap (ηk)
=
(h1 h2) x 100% LHV
14,375 (2.762 209,11) x 100% 43.730,80 ηk = 83 %
[3]
V
Penutup
5.1
Kesimpulan
Hutagalung,
Boiler
Operator
Course, 1992 ; Jakarta.
Dari hasil analisa perhitungan-
[4].
Djokosetyardjo, MJ. Pembahasan
perhitungan yang telah dilakukan pada
Lanjut Ketel Uap, 1990, Pradnya
karakteristik ketel pipa api tipe Loos Basuki
Paramitha ; Jakarta.
yang terdapat di Pt. Mustika Ratu Tbk, maka dapat di simpulkan sebagai berikut :
dari karakteristik ketel uap sebagai melihat efek pemakaian bahan bakar terhadap kerja ketel uap. yang
ditampilkan
berupa
kondisi operasi, yaitu : tekanan kerja, uap yang dihasilkan, luas pemanas, beban ketel spesifik, dan efisiensi ketel uap. 2. pada sistem ketel uap pipa api, gas
panas
hasil
pembakaran
bahan bakar pada ruang bakar digunakan untuk memanasi air, lalu gas panas mengalir melalui pipa-pipa yang dibagian luarnya terdapat air. 3. berdasarkan perhitungan efisiensi terhadap ketel uap dengan bahan bakar solar yang terdapat di PT. Mustika
Ratu
pengoperasian
Tbk,
untuk
tiap-tiap
jamnya
adalah 83 %.
DAFTAR PUSTAKA [1].
Djokosetyardjo, MJ. Ketel Uap, 1987,
Pradnya
Paramitha
;
Jakarta. [2].
Kardjono, Ketel Uap dan Sistem Tenaga Uap ; Cepu.
Fritz Dietzel, Turbin, Pompa dan Kompresor, 1996 ; Jakarta.
1. Secara garis besar perhitungan
Hasil
[5]
