NASKAH PUBLIKASI
PERENCANAAN KETEL UAP PIPA AIR SEBAGAI PENGGERAK TURBIN DENGAN KAPASITAS UAP HASIL 40 TON/JAM, TEKANAN KERJA 17 ATM DAN SUHU UAP 350oC
Makalah Seminar Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat untuk mengikuti Ujian Tugas Akhir pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun oleh : FERRY FAJAR NUGROHO D. 200 060 040
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA APRIL 2012
HALAMAN PERSETUJUAN Naskah Publikasi berjudul ” Perencanaan Ketel Uap Pipa Air Sebagai Penggerak Turbin Dengan Kapasitas Uap Hasil 40 Ton/Jam, Tekanan Kerja 17 Atm, dan Suhu Uap 350oC”, telah disetujui oleh pembimbing dan diterima untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh : Nama
:
FERRY FAJAR NUGROHO
Nim
:
D200 060 040
Disetujui pada Hari
:
Tanggal
:
ABSTRAKSI
Ketel uap adalah suatu pesawat energi yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap air pada kapasitas dan tekanan tertentu, salah satu jenis ketel uap yang dipakai untuk kebutuhan industri adalah ketel uap pipa air. Ketel uap pipa air merupakan pengembangan ketel uap yang dimana didalam pipa air mengalir fluida yang berupa air, sedangkan gas pemanasnya dari hasil pembakaran dari ruang bakar mengitari diluar pipa – pipa air tersebut. Pada ketel uap pipa air ada sebuah alat bantu yang sangat berperan yaitu ekonomiser dan superheater. Dimana ekonomiser digunakan untuk memanasi air isian ketel sebelum masuk ketel, adapun fungsinya memanaskan air isian ketel sampai mendekati titik didih ketel, sehingga kerugian kalor dalam ketel berkurang, maka efisiensi ketel akan meningkat
dan
menghemat
pemakaian
bahan
bakar.
Sedangkan
superheater merupakan alat untuk memanaskan uap kenyang menjadi uap yang dipanaskan lanjut. Untuk meningkatkan kapasitas uap diperlukan adanya perlakuan pada air isian ketel terhadap air isian ketel agar dapat menjaga kualitas air bebas dari kotoran dan endapan yang dapat mengakibatkan kerak pada pipa – pipa dan tangki. Bahan bakar yang digunakan adalah ampas tebu yang terdapat disekitar pabrik gula. Dalam perencanaan ini didapatkan kesimpulan menurut analisis perhitungan
yaitu,
kualitas
air
isian
yang
kotor
mengakibatkan
perpindahan panas pada ketel uap menjadi terhambat, karena diakibatkan bertambah tebalnya dinding pipa dari endapan lumpur. Nilai kalor pembakaran yang dihasilkan oleh ampas tebu adalah sebesar 5.152 BTU/lb bb. efisiensi ketel uap yang direncanakan yaitu 82,2 %
Kata Kunci : Ketel uap , ampas tebu, air isian
PENDAHULUAN Ketel uap merupakan suatu pesawat tenaga yang banyak digunakan dan dianggap layak dalam dunia industri di negara indonesia. Dimana ketel biasanya digunakan untuk penggerak mula juga dapat digunakan untuk pemanas. Pada umumnya ketel uap memerlukan bahan bakar untuk menghasilkan uap. Dimana bahan bakar yang digunakan berupa bahan bakar padat, bahan bakar cair dan bahan bakar gas. Terjadinya krisis energi pada saat ini, maka banyak negara – negara yang berlomba – lomba untuk mencari bahan bakar selain bahan bakar hasil penambangan. Di Indonesia, ketel uap masih banyak menggunakan bahan bakar dari hasil penambangan, yang berupa minyak bumi, batu bara dan gas alam. untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar hasil penambangan, banyak industri – industri di Indonesia yang menggunakan bahan bakar alternatif yang ada disekitar perusahan tersebut. Seperti ampas tebu yang digunakan untuk bahan bakar ketel uap, yang terdapat pada industri – industri gula yang ada negara Indonesia. Dalam perencanaan ini berisi tentang perencanaan ketel uap pada sebuah industri yaitu pabrik gula yang memegang peranan penting pada proses produksi yaitu untuk menggerakan turbin. Uap yang dihasilkan akan digunakan untuk proses produksi gula. Setelah
mengetahui
pentingnya
peranan
ketel
uap
dalam
perusahaan, maka dalam perencanaan ini diambil topik ketel uap pipa air. TUJUAN PERENCANAAN Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini sebagai berikut: a. Untuk mengetahui ketel uap tipe pipa air dengan kapasitas 40 ton/jam, tekanan 17 atm dan suhu 350 oC. b. Untuk mengetahui efisiensi ketel uap pipa air.
LANDASAN TEORI Ketel uap adalah pesawat energi yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap air pada kapasitas dan tekanan tertentu. Proses produksi uap yang terjadi pada dapur yaitu energi kalor dari pembakaran bahan bakar diberikan kepada air isian ketel melalui pendidihan sehingga terbentuk uap. Komponen-komponen utama dalam ketel uap: dapur, berfungsi sebagai alat untuk mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi kalor, alat penguap (evaporator), berfungsi untuk mengubah air menjadi uap dengan bantu energi pembakaran bahan bakar.
Komponen pendukung ketel uap: Sistem pemipaan, sistem yang digunakan adalah pipa-pipa air yang diatur, agar panas yang diserap maksimal,
Cerobong asap, adalah alat yang digunakan untuk mengalirkan gas asap sisa pembakaran dari ketel uap keluar menuju udara bebas, sehingga dapur dapat berfungsi secara efektif. Pemanas uap lanjut ( Superheater ) adalah sebuah alat untuk memanaskan uap kenyang / uap jenuh menjadi uap yang dipanaskan lanjut. Ekonomiser merupakan alat bantu yang dapat mempermudah ketel uap untuk menghasilkan uap tanpa melakukan proses pemanasan awal dan menghemat pemakaian bahan bakar. Dimana gas asap yang masih panas dapat dimanfaatkan untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum ketel, sehingga air telah dalam keadaan panas, sekitar 30oC sampai 50oC dibawah temperatur mendidihnya. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam perencanan ketel uap: temperatur dan tekanan kerja ketel, kapasitas ketel, jenis bahan bakar, air isian ketel, biaya pembuatan, operasi dan pemeliharaan
Analisa perpindahan panas a. Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul – molekul suatu fluida yang gerakannya melayang
– layang membawa sejumlah panas, pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, dan sisanya meninggalkan dinding. Jumlah panas yang disalurkan secara konveksi (Q) adalah: Q = h . A ( Tw - T∞ )………………(1)
dimana : Q = jumlah kalor yang disalurkan secara konveksi ( KJ/jam ). h = koefisien kalor konveksi ( KJ/m2 jam oC) A = luas bidang yang dipanasi ( m2) ∆T = selisih temperatur (oC)
Untuk mencari besarnya nilai koefisien kalor konveksi ( h ) diperlukan data yaitu : besarnya kecepatan fluida, viskositas dan besaran lainnya. Langkah pertama yang dilakukan adalah mencari angka Reynolds, yang digunakan untuk mancari angka Nusselt.
Gambar 1. Tabung pipa segaris
Gambar 2. Tabung pipa selang-seling Besaran Umax adalah : Umax = U∞
n
……..(2)
dimana : U∞ = kecepatan fluida (m/s) Sn = jarak baris (m) d = diameter pipa (m)
Besaran angka Reynolds plat adalah : ………………(3)
Re = dimana :
Umax = kecepatan maksimum fluida (m/s) d
= diameter pipa (m)
µ
= viskositas dinamik fluida = massa jenis fluida ( kg/m3)
( kg/m.s)
Maka besarnya angka Nusselt : NU = C Pr1/3 x Ren………(4) dimana : Pr = angka prandtl, diperoleh dari tabel berdasarkan temperatur. Re = angka Reynolds Mencari C dan n :
;
, sehingga C dan n dapat dicari pada tabel.
dimana : Sn = jarak baris Sp = jarak kolom d = diameter pipa Setelah angka Nusselt didapatkan, maka dapat dihitung koefisien kalor konveksi (h) berdasarkan persamaan Nusselt yaitu : Nu =
h =
……………………(5)
…………………(6)
dimana : k = koefisien konduktifitas (KJ/jam m oC) D = Diameter pipa (m)
b. Konduksi Perpindahan panas pada benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah dan tanpa terjadinya perpindahan molekul – molekul dari benda itu sendiri.
…………(7)
Qp =
dimana : Qp
= jumlah kalor yang disalurkan secara konduksi ( KJ/jam )
k
= koefisien konduktansi bahan
( KJ/m jam oC)
∆x/∆T = gradien temperatur dalam arah aliran panas (-k/m) A
= luas penampang yang terletak pada aliran panas. = π.D.L.(a.b)……(8)
dimana : D = diameter pipa (m) L = panjang silinder (m) a = jumlah baris b = jumlah kolom
Nilai Kalor Pembakaran Bahan Bakar adalah jumlah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran unsur-unsur yang terkandung dalam bahan bakar tiap satu satuan massa bahan bakar. Nilai pembakaran bahan bakar dibedakan menjadi dua yaitu : a. Nilai kalor pembakaran tinggi (High Heating Value), yaitu perhitungan pembakaran bahan bakar, dimana uap air yang
terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan dahulu, sehingga panas pengembunan ikut dihitung dan dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk. High Heating Value (HHV) dengan persamaan sebagai berikut : ( Muh, Syamsir : 160) HHV
= 33950 ( C ) + 144200 ( H2 )
b. Nilai kalor pembakaran rendah (Low Heating Value), yaitu perhitungan pembakaran bahan bakar yang dimana uap air yang terbentuk dari pembakaran tidak perlu dicaikan dahulu, sehingga panas
pengembunan
tidak
perhitungkan
sebagai
panas
pembakaran bahan bakar. Low Heating Value (LHV) dengan persamaan sebagai berikut : ( Muh, Syamsir : 161 ) LHV
= HHV – 2411 ( M + 9 H2 )
KESIMPULAN a. Air isian ketel uap harus bersih dengan cara water treatment, karena air isian yang kotor dapat menyebabkan timbulnya kerak pada dinding pipa – pipa didih, sehingga proses perpindahan panas semakin menurun dengan bertambahnya tebal dari dinding pipa – pipa didih tersebut. b. Bahan
bakar
bampas tebu
yang
mempunyai
nilai
kalor
pembakaran terendah (LHV) sebesar 4.743,206 Btu/lb dapat menghasilkan temperatur pembakaran 3808oF, sehingga akan
dihasilkan uap sebesar 88.184 lb/jam pada tekanan 249,83 Psi, sehingga dapat digunakan untuk menggerakan turbin. c. Ekonomiser dapat meningkatkan temperatur air pasokan, sehingga dibutuhkan sedikit energi pemanas yang mengakibatkan hemat bahan bakar.
SARAN Pada perencanaan ketel uap pipa air dengan kapasitas 40 ton/jam, tekanan 17 atm, dan temperatur 350 oC, penulis mengambil dasar kajian teroritis dari buku dan mengambil dari kajian praktis yang di dapat dari lapangan. Mungkin karena keterbatasan pengetahuan dan kemampuan penulis , ada banyak hal yang tidak dapat penulis sebutkan, maka itu masih banyak diperlukan penyempurnaan dalam perencanaan ini. Perencanaan ini digunakan sebagai referensi perencanaan lebih lanjut, maka diperlukan keakurasian dalam melakukan analisis perhitungan.
Sehingga
dapat
dijadikan
referensi
perencanaan
lanjutan. Dalam perencanaan perlu diperhatikan adalah konstruksi ketel, karena konstruksi sangat penting, kontruksi dibuat se-ekonomis mungkin namun kekuatan materialnya besar.
DAFTAR PUSTAKA
ASME. 1983. Boiler And Pressure Vessel Code. Section 1 Babcock and Wilcox. 1978, Steam Its Generations And Use. Edisi 39. New York: The Babcock And Wilcox Company. Borras, Thomas Garcia. 1983. Boiler and Furnace Perfomance. Houston Texas: Gulf Publising Company Hardjono. 1987. Teknik Minyak Bumi I . Teknik Kimia Fakultas Teknik UGM. Maleev, V. L. 1987. Internal Combustion Engines. Edisi kedua. Singapore: Mc. Graw-Hill Book Company. Muin, Syamsir A. 1986. Pesawat-Pesawat Konversi Energi I ( Ketel Uap ). Edisi pertama. Jakarta: Rajawali Pers. Prijono,Arko. 1997. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Jakarta: Erlangga Raswari. 1986. Teknologi Dan Perencanaan Perpipaan. Cetakan ketiga. Jakarta: UI press. Roberson, JM dan Kent, PL. Boiler Operation, Thirt edition. New York: Mc. Graw Hill co. Setyardjo, Djoko.1993. Ketel Uap. Cetakan ketiga. Jakarta: PT Pradnya Paramita. Surbakty, B. M. 1985. Pesawat Tenaga Uap I Ketel Uap. Surakarta: Mutiara Solo.
