PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 150 TON/JAM TUGAS AKHIR BIDANG KONVERSI ENERGI Diajukan Kepada: Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan Program Sarjana Teknik
Oleh : RIDO RIDWAN 201010120311053
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
Disusun oleh : Nama : Rido Ridwan NIM : 201010120311053
Yang telah disahkan oleh : Dosen pembimbing I
Dosen pembimbing II
(Ir. Ali Saifullah, MT) NIP. 195712271987031002
(Ir. Hery Suprianto, MT) NIP. 108.8709.0049
Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin
(Ir. Daryono, MT) NIP. 108.8909.0124
ii
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-21 Psw. 127 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR Nama
: Rido Ridwan
Nim
: 201010120311053
Bidang Keahlian
: Konversi Energi
No. ST. Pem. TA
: E.2 / 412 / FT/ UMM / XI / 2014
Judul
: Perancangan ketel uap pipa air kapasitas 150 ton/jam
Pembimbing I
: Ir. Hery Suprianto, MT
No.
CatatanAsistensi
1
Konsultasi Bab I
2 3 4
Paraf Dosen pembimbing I
Lanjut ke Bab II,tekanan diganti tekanan menengah Konsultasi Bab II Cara penulisan refrensi diperbaiki, lanjut ke Bab III
5
Konsultasi Bab IV
6
Cek data entalpi, lanjutkan perhitungan
7
Kesimpulan (Buat Gambar Rancangan)
8
ACC dan Semhas
Malang, 25 April 2015 Dosen pembimbing I
Ir. Hery Suprianto,MT
iii
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-21 Psw. 127 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR Nama
: Rido Ridwan
Nim
: 201010120311053
Bidang Keahlian
: Konversi Energi
No. ST. Pem. TA
: E.2 / 412 / FT/ UMM / XI / 2014
Judul
: Perancangan ketel uap pipa air berkapasitas 150 ton/jam
Pembimbing II
: Ir. Ali Syaifullah, MT Paraf
No.
CatatanAsistensi
1
Konsultasi Bab I
2
Latar Belakang,Tujuan dan Rumusan masalah
3
ACC BAB I
4
Dosen pembimbing II
Cek kembali sumber literature, gambar dan keterangan gambar
5
ACC Bab II
6
Konsultasi Bab III
7
Lanjutkan ke perancangan superheater
8
ACC Bab IV dan Semhas
Malang, 25 April 2015 Dosen pembimbing II
Ir. Ali Syaifullah, MT
iv
LEMBAR SURAT PERNYATAAN Yang bertandatangan dibawah ini : Nama
: Rido Ridwan
Nim
: 201010120311053
Tempat/Tanggal Lahir
: Malang, 3 Maret 1992
Jurusan
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknik
Instansi
: UniversitasMuhammadiyah Malang
Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa : Sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul “PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 150 TON/JAM” yang diajukan untuk memperoleh gelar sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan duplikasi (“PLAGIASI”) dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan/ atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Malang atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya kutipan dan daftar pustaka sebagaimana mestinya. Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk digunakan sebagaimana mestinya.
Malang, 25 April 2015 Yang menyatakan,
Rido Ridwan
v
PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR DENGAN KAPASITAS 150 TON/JAM Rido Ridwan, Pembimbing I: Hery Suprianto Pembimbing II : Ali Syaifullah Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang Jl. Raya Tlogomas No.246 Telp.(0341) 464318-128 Dax.(0341) 460782 Malang 65144
Abstrak Salah satu energi yang dibutuhkan untuk menjawab tuntutan dari pertumbuhan industri adalah energi listrik. PLTU yang masih memungkinkan digunakan untuk sekarang ini dan untuk jangka panjang, dikarenakan masih ketersedianya bahan bakar danfaktor-faktor penunjang lainnya. PLTU menggunakan ketel uap dan turbin uap untuk menggerakkan generator listrik untuk menghasilkan energy listrik. Mengetahui berapa kebutuhan bahan bakar untuk menghasilkan uap kering berkapasitas 150 ton/jam dan berapa kalor yang dibutuhkan oleh komponen ketel uap seperti superheater, evaporator, air heater, ekonomiser. Pada perancangan ketel uap akan dilakukan beberapa tahap perhitungan yang berguna untuk mendapatkan beberapa variable penunjang utama perancangan. Dengan menentukan berapa kapasitas uap yang akan dihasilkan maka bisa dihitung berapa kebutuhan bahan bakar dan jenis bahan bakar yang dipilih. Faktor penunjang perancangan lainnya yaitu menganalisis proses pembakaran dan perpindahan kalor dalam ketel uap. Setelah melakukan perhitungan dengan seksama maka bisa ditentukan berapa ukuran komponenkomponen utama ketel uap. Hasil yang didapat untuk menghasilkan kapasitas uap sebesar 150 ton/jam bahan bakar yang diperlukan sebesar 150 ton/jam. Bahan bakar yang digunakan berupa batubara jenis gas-coal yang memiliki LHV = 6806 kkal/kg. Volume ruang bakar yang diperlukan untuk proses pembakaran sebesar 452 m³. Dalam merencanakan sebuah ketel uap, sebaiknya memperhatikan jenis ketel uap yang akan direncanakan serta ketel uap yang direncanakan dimanfaatkan untuk industri apa. Kata kunci : ketel uap, batubara, komponen utama
vi
PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR DENGAN KAPASITAS 150 TON/JAM Rido Ridwan, Pembimbing I: Hery Suprianto Pembimbing II : Ali Syaifullah Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang Jl. Raya Tlogomas No.246 Telp.(0341) 464318-128 Dax.(0341) 460782 Malang 65144
Abstract One of energy which required to respond demand of industri growth is electric energy. Steam Boiler power plan which still enable used today and for long term, because still availability fuel and another supporting factors. Steam boiler power plan used steam boiler and steam turbine drive generator for produce electric energy. To know how many fuel needed to produce superheated steam 150 ton/hour capacity and how many calor needed by boiler components like superheater, evaporator, air heater, and economiser. Steam boiler Design will do several step calculations that useful to get some the main supporting variable design. By determine how much steam capacity to be produce it can be calculated how much fuel needs and selected fuel type. Other supporting factors of design is analyze burning proses and steam boiler heat transfers. After calculation by carefully then it could be select how much size of steam boiler main components. The results obtained to produce steam 150 ton/hour capacity fuel needs amount 15 ton/hour. Fuel which used is gas-coal it has Low Heat Transfer (LHV) = 6806 cilocal/kg. The volume of combustor required for burning process amount 452 m³. Steam boiler design should notice type of steam boiler will be plan along utilized for what any industry. Keywords : steam boiler, coal, main component
vii
KATA PENGANTAR Dengan memanjatkan puji dan syuku rkepada kehadirat Allah SWT yang mana hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahNya laporan tugas akhir dengan judul “PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 150 TON/JAM” ini akhirnya dapat terselesaikan. Seiring penyusunan skripsi ini, terdapat hambatan dan rintangan yang dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ungkapkan terima kasih atas jasa baik yang selama ini telah diterima, baik nasehat, petunjuk, ide, saran, serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan sekripsi ini.Ungkapan terima ksi htersebut disampaikan kepada : 1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non materiil, mendo’akan, mengingatkan akan pesan - pesannya yang tak akan terlupakan. 2. Bapak Ir. Hery Suprianto. MT Selaku Dosen Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan serta arahan selama penyusunan skripsi ini dilakukan. 3. Bapak Ir. Ali Saifullah. MT. Selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan masukan ide, serta saran dan cara-cara penulisan sehingga terselesaikannya skripsi ini. 4. Bapak Ir. Daryono, MT. Selaku ketua jurusan teknik mesin UMM. 5. Bapak Budiono, SSi. MT. Selaku sekertaris jurusan teknik mesin UMM. 6. Bapak/Ibu Dosen yang telah bersedia memberikan bantuan berupa bimbingan teoritis secara langsung mau pun tidak langsung.
viii
7. Teman – teman sebimbingan, teman-teman seangkatan Teknik Mesin 2010 A, B, C dan D serta kepada seseorang yang selalu mendampingi saya dan selalu memberi semangat dalam proses pengerjaan skripsi ini. 8. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terima kasih banyak atas bantuan kalian semuannya. Dalam penyusunan sekripsi ini tentunya terdapat kekurangan yang tidak terbahas. Oleh sebab itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun akan sangat diharapkan untuk pengembangan teknologi terkait. Semoga ALLAH SWT memberikan sifat Rahim – Nya kepada semua pihak yang tersebut diatas dan penyusun berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi penyusun dan pembaca.
Malang, 25 April 2015
Rido Ridwan
ix
DAFTAR ISI COVER……………………………………………………………………………i POSTER…………………………………………………………………………..ii LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI………………………………………….iii LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR PEMBIMBING I………….………iv LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR PEMBIMBING II………….………v LEMBAR PERNYATAAN……………………………………………………..vi ABSTRAK………………………………………………………………………vii KATA PENGANTAR…………………………………………………………...ix DAFTAR ISI……………………………………………………………………..xi DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………xv DAFTAR TABEL……………………………………………………………...xvi DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………xviii BAB I………………………………………………………………………...........1 PENDAHULUAN………………………………………………………………...1 1.1 Latar belakang………………………………………………………………...1 1.2 Rumusan masalah…………………………………………………………….3 1.3 Tujuan penelitian……………………………………………………………...4 1.4 Batasan masalah………………………………………………………………4
x
BAB II TINJAUAN PUSTAKA………………………………………………………….4 2.1 Mesin Kalor..........……………………………………………………………5 2.2 Ketel Uap…...………………………………………………………………...5 2.3 Klasifikasi Ketel Uap..………………………………………………………..8 2.4 Bagian-bagian Utama ketel uap…..……...…………………………………11 2.4.1
Ruang Bakar..…………………………………………….............11
2.4.2
Pipa Waterwall..…………………………………………….........10
2.4.3
Pipa Superheater..…………………………………………….......12
2.4.4
Pipa Back Pass…...……………………………………………....15
2.4.5
Drum Ketel.....................................................................................15
2.4.6
Ekonomiser....................................................................................16
2.4.7
Pemanas Udara atau Air Heater.....................................................17
2.5 Proses Pembentukan Uap..................................……………………………..19 2.6 Bahan Bakar Ketel dan Reaksi Pembakaran……………......……………….24 2.6.1
Nilai Kalor Bahan Bakar................................................................24
2.6.2
Kebutuhan Bahan Bakar dan Udara Pembakaran..........................25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN……………………………………………….27 3.1Metode Penulisan...................................................…………………………..27 3.2 Perancangan Ketel Uap…...………………………………………………….27 3.2.1
Perhitungan Konversi...…………………………………………..27
xi
3.2.2
Perhitungan Dimensi….………………………………………….27
3.3 Gambar Rancangan…....……………………………………………………..28 3.4 Diagram Alir Rancangan..................................................................................29 BAB IV PEMBAHASAN DAN PERHITUNGAN…...…………………………………30 4.1 Perhitungan Nilai Kalor..……………………………………………………30 4.2 Perhitungan Kebutuhan Bahan Bakar….……………………………………31 4.3 Proses Pembakaran.........................................................................................32 4.3.1 Kebutuhan Udara Pembakaran..............................................................32 4.3.2 Perthitungan Gas Asap...........................................................................33 4.4 Keseimbangan Panas........................................................................................34 4.4.1 Panas Berguna........................................................................................34 4.4.2 Kerugian-kerugian Panas.......................................................................35 4.5 Perencanaan Pembagian Panas........................................................................37 4.5.1. Panas yang terjadi di Ruang Bakar.......................................................37 4.5.2. Panas yang diperlukan Ketel Uap.........................................................38 4.5.3. Suhu Gas Asap pada Dapur..................................................................41 4.6 Ruang Bakar.....................................................................................................43 4.6.1 Ukuran Rangka Bakar Rantai................................................................45 4.6.2 Perpindahan Panas pada Ruang Bakar...................................................47 4.7 Pipa WaterWall................................................................................................48 4.7.1 Ukuran dan Jumlah Pipa........................................................................48 4.7.2 Panjang Pipa Water Wall.......................................................................50
xii
4.7.3 Panas yang Diserap Pipa Water Wall....................................................52 4.8 Pipa Superheater...............................................................................................55 4.8.1 Panas yang Diserap Pipa Superheater....................................................55 4.8.2 Temperatur Gas Asap Meninggalkan Superheater................................56 4.8.3 Ukuran Pipa Superheater.......................................................................57 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN…………………………………………………61 5.1 Kesimpulan………………………………………………………………...61 5.2 Saran…………………………………………………………….…………62 LAMPIRAN DAFTAR PUSTAKA DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Ketel Uap..............………………………………………………….6 Gambar 2.2 : Salah satu PLTU di Indonesia...........................................................7 Gambar 2.3 : Perbandingan antara PLTU dan PLTN..............................................8 Gambar 2.4 : Salah satu ketel uap type pipa api...………………………………...9 Gambar 2.5 : Ketel uap pipa air.......……………………………………………..10 Gambar 2.6 : Bentuk Ruang Bakar tungku di Bawah............................................11 Gambar 2.7 : Pipa waterwall........……………......................................................13 Gambar 2.8 : Penampang komponen ketel uap......................................................14
xiii
Gambar 4.1 : Ruang Bakar Dan Rantai Bakar yang Direncanakan.......................46 Gambar 4.2 : Ukuran dan Jarak Pipa Water Wall..................................................51 Gambar 4.3 : Waterwall Pada Ruang Bakar..........................................................52 Gambar 4.4 : Header dan ukuran pipa superheater................................................59 Gambar 4.5 : Gambar Pipa Superheater.................................................................60 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 : Spesifikasi Ketel................……………………...................................3 Tabel 4.1 : Beban Spesifik Ruang Bakar...............................................................44
xiv
DAFTAR PUSTAKA
Babcock and Wilcox, 1972, “Steam It’s Generation and Use”, Newyork
Djoksetyardjo M.J., 2006, Ketel Uap, Cetakan Keenam, Jakarta.
Djokosetyardjo M.J., 1990. “Pembahasan Lanjut Tentang Ketel Uap”, Cetakan Pertama, Jakarta.
J.P. Holman alih bahasa E.Jasifi, 1988, “Perpindahan Kalor”, edisi keenam, Jakarta.
Syamsir A. Muin, 1992, “Pesawat-pesawat Konversi Energi II (Ketel Uap)”, cetakan pertama, Jakarta.
P. Shyakin, 1988, “Turbin Kukus”, Erlangga, Jakarta.
Puji Harianto, 2011, “Perencanaan Ketel Uap untuk Pabrik Pengolahan Kelapa Sawit”, Tugas Akhir Universitas Islam Riau, Pekanbaru.
xv
