4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Ketel Uap (Boiler)

Boiler atau ketel uap adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yang

digunakan untuk memproduksi steam/uap. Steam diperoleh dengan

memanaskan air yang berada didalam bejana dengan bahan bakar. Boiler

mengubah energi-energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk

menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk memindahkan kalor dari suatu

sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar (Purba

2015, 2). Boiler adalah sebuah konteiner dimana diberi air dan dipanaskan,

sehingga air mendidih dan menguap terus menerus menjadi uap. (Malek

2004, 2).

Uap (steam) yang dihasilkan dari boiler digunakan untuk berbagai

proses dalam aplikasi industri, seperti penggerak, pemanas, dan lain-lain.

Pengoperasian Boiler harus sesuai dengan standar operasi yang telah

ditentukan oleh pengguna boiler maupun standar pabrik pembuat boiler itu

sendiri. Standar yang dibuat akan menjamin keamanan dalam pengoperasian,

sehingga akan meningkatkan efisiensi ketel uap sekaligus menekan biaya

operasional (Sugiharto, 56).

Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversi

energi kimia (potensial) dalam hal ini adalah bahan bakar menjadi energi

panas. Boiler/ketel uapterdiri dari 2 komponen utama, yaitu :

1. Dapur sebagai alat untuk mengubah energi kimia (bahan bakar)

menjadi energi panas.

5

2. Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran

(energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas).

Boiler pada dasarnya terdiri dari tabung/bejana (drum) yang tertutup

pada ujung pangkalnya, dan dalam perkembangannya dilengkapi didalamnya

pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap

tergantung kepada sudut pandang masing-masing (Purba 2015, 2).

2.2 Klasifikasi Ketel Uap

Menurut Mohammed A. Malek dalam buku yang berjudul “Power

Boiler Design, Inspection and Repair”, boiler/ketel uap diklasifikasikan

menjadi 5 (lima) jenis, daintaranya ketel uap berdasarkan desain, material,

tipe dan gabungan sperti yang ditunjukan pada gambar berikut:

(Gambar 2.1-Klasifikasi Boiler)

(Power Boiler Design, Inspection and Repair:Mohammed A. Malek)

6

2.2.1 Klasifikasi Ketel Uap (Boiler) menurut Desain

Menurut standart ASME boiler di golongkan menjadi dua, yaitu

power boilers dan heating boilers.

1. Power Boilers (Ketel Uap Daya) adalah ketel uap yang uap hasilnya

digunakan diluar ketel dan memiliki tekanan uap lebih dari 15 Psi.

Ketel uap ini di desain menggunakan standart ASME Sec I.

2. Heating Boilers (Ketel Uap Pemanas). Boiler/ketel uap jenis ini

memiliki tekanan uap berbanding terbalik dari Power Boiler yakni

kurang dari 15 Psi.Boilerpemanas dirancang dengan aturan ASME

Sec IV-Heating Boilers.

2.2.2 Klasifikasi Ketel Uap menurut Material yang digunakan

Menurut Malek, ketel uap juga diklasifikasikan berdasarkan

banyaknya bahan material yang digunakan dalam proses

pembuatannya. Steel (baja) ketel uap ini, pada bagian utama dan bagian

silinder terbuat dari baja. Cast Iron (Besi Tuang) ketel uap yang pada

bagian utama serta silinder tekannya terbuat dari besi tuang (cast iron).

Jenis Cast Iron Boiler (ketel uap besi tuang) dibedakan lagi

menjadi dua, yaitu Horizontal-Section Cast Iron Boiler dan One Piece

Cast Iron boiler. Pada jenis Horizontal-Section Cast Iron Boiler, ketel

uap dibuat menjadi beberapa bagian dan selanjutnya dilakukan

perakitan. Jenis One Piece Cast Iron boiler, pada jenis ini bagian bejana

tekan ketel uap dibuat pada satu cetakan/tidak dipisah.

7

2.2.3 Klasifikasi Ketel Uap menurut Kegunaan

1. Power Boiler (daya) adalah ketel uap yang digunakan sebagai

pembangkit daya. Misalnya PLTU, PLTB, PLTG dan pembangkit

listrik lainnya.

2. Process Boiler (proses), ketel uap ini digunakan pada industri pada

suatu proses fabrikasi atau produksi.

3. Steam Heating (pemanas uap) jenis ketel uap ini dirancang pada

tekanan kurang dari 15 Psi. Uap hasil pemanasan kemudian

digunakan industri sebagai pemanas atau pengering pada suatu

proses yang dibutuhkan.

4. Hot Water Heating (Pemanas Air Panas), ketel uap jenis ini

digunakan untuk menjaga kondisi suhu air agar tetap sesuai dengan

suhu yang dibutuhkan oleh suatu proses industri.

5. Hot Water Supply (Persediaan Air Panas) uap yang dihasilkan oleh

ketel jenis ini hampir mirip dengan jenis ketel pemanas air panas

diatas.Disiniketel digunakan untuk memanaskan air dan menjadi

storage pada persediaan air panas.

6. Hot Water Heater (Pemanas Air). Ketel uap jenis ini memiliki tujuan

yang sama dengan hot water heating boiler dan hot water supply

boiler, namun memiliki perbedaan pada pengoperasian

temperaturnya yakni kurang dari 210 F.

8

2.2.4 Klasifikasi Ketel Uap menurut Tube Type (Tipe Pipa)

a. Ketel Uap Pipa Api (fire tube boiler)

Pada boiler pipa api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas

nyala, yang membawa energi panas, yang segera mentransfer ke air

melalui bidang pemanas. Tujuan pipa-pipa api ini adalah untuk

memudahkan distribusi panas kepada air.

(Gambar 2.2-Boiler Pipa Api)

b. Ketel Uap Pipa Air (water tube boiler)

Pada boiler pipa air ini, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air,

energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu dari ruang bakar) ke air.

(Gambar 2.3-Boiler Pipa Air)

9

2.3 Perpindahan Panas Pada Ketel Uap (Boiler)

Panas yangdihasilkan dari pembakaran bahan bakar dan udara, yang

kemudian dipindahkan ke airmelalui bidang yang dipanaskan atau heating

surface pada suatu instalasi ketel uap. Cara perpindahan panas ini ada 3 (tiga)

cara, antara lain:

a. Perpindahan panas secara radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas oleh penjalaran

(rambatan) foton (partikel dasar) yang tak teratur. Setiap benda yang terus

memancarkanfoton-foton (partikel-partikel)di dalam arah, waktu, dan

tenagayang dipindahkan oleh foton-foton (partikel-partikel) ini

diperhitungkan sebagai kalor (Reynold dan Perkins,1983).

Qp = CZ x A x [(Tapi : 100)4 – (Tbenda : 100)4] Kj/jam

Dimana:

Qp = radiasi dengan satuan Kj/jam,

CZ = konstanta radiasi dari stephan-bolztman yang dinyatakan dalam

Kj/m2.jam.K4

A = luas bidang yang dipanasi (m2)

T = temperature (K)

b. Perpindahan panas secara konveksi

Bila sebuah fluida melewati sebuah permukaan padat panas, maka

tenaga dipindahkan ke fluida dari dinding oleh panas hantaran. Tenaga ini

kemudian dikonveksikan (convected) ke hilir oleh fluida, dan didifusikan

melalui fluida oleh hantaran di dalam fluida tersebut. Jenis proses

10

perpindahan tenaga ini dinamakan perpindahan tenaga konveksi

(convection heat transfer) (Stoecker dan Jones, 1982).

Qk = h x A x ΔT ( Kj/jam)

Dimana:

Qk = panas konveksi dengan satuan (Kj/jam),

h = Kooefisien konveksi,

A = luas bidang kontak,

ΔT = perubahan temperature (Tapi-Tbenda)

c. Perpindahan panas secara konduksi

Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan kalor melalui

sebuah proses medium stasioner, seperti tembaga, air, atau udara (Reynold

dan Perkins, 1983). Didalam dinding ketel/boiler, panas akan dirambatkan

oleh molekul-molekul dinding/pipa ketel bagian dalam menuju

dinding/pipa ketel bagian luar yang berbatasan dengan air. Perambatan

tersebut menempuh jarak terpendek (Djokosetyardjo, 1993).

Jumlah panas yang dirambatkan = Qk, melalui dinding ketel adalah

sebesar:

Qk = −kA𝑑𝑇

dx

Qk = k𝐴

L(T1 − T2)

A = luas penampang bidang

L = tebal dinding

Qk = laju panas konduksi yang berpindah

T1 = temperatur dinding pipa dalam

11

T2 = temperatur dinding pipa luar

2.4 ASME (American Society Mechanical Engineering)

ASME adalah organisasi dengan standar tertua di Amerika. ASME

menghasilkan sekitar 600 kode dan standar yang mencakup banyak area

teknis seperti perlengkapan pipa, lift, jaringan pipa, dan sistem pembangkit

dan komponennya.Standar ASME dikembangkan oleh komite ahli materi

pelajaran yang menggunakan proses berbasis konsensus terbuka.Banyak

standar ASME yang dikutip oleh instansi pemerintah sebagai alat untuk

memenuhi tujuan mereka.Standar ASME digunakan di lebih dari 100 negara

di dunia dan diterjemahkan ke dalam berbagai bahasa. ASME berdiri pada

tahun 1880 oleh Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter Worthington, John

Edison Sweet dan Matthias N. Forney sebagai jawaban atas berbagai

kegagalan dalam permasalahan tekanan uap boiler. ASME membentuk

sebuah komite pada tahun 1911 untuk merumuskan aturan/prosedur

perancangan ketel uap dan bejana bertekanan yang kemudian dikenal sebagai

komite ASME Boiler and Pressure Vessel. Komite ini mengikuti prosedur

terakreditasi oleh ANSI (American National Standart Institute).

Pada kode ASME Boiler & Pressure Vessel mengandung 11 bagian:

1. Bagian I - Power Boilers

2. Bagian II - Material Specifications

a. Bagian A - Spesifikasi Bahan Fe

Bagian ini menyediakan spesifikasi material untuk bahan-bahan besi

yang cocok untuk digunakan dalam konstruksi bejana tekan.

12

b. Bagian B - Spesifikasi Bahan Non Fe

Bagian ini menyediakan spesifikasi material untuk bahan nonferrous /

non besi yang cocok untuk digunakan dalam pembangunan pembuluh

tekanan. Spesifikasi Bagian ini menentukan sifat mekanik, perlakuan

panas, panas dan komposisi dan analisis kimia produk, spesimen uji,

dan metodologi pengujian.

c. Bagian C - Spesifikasi untuk Pengelasan, Elektroda

Bagian ini memberikan sifat mekanik, perlakuan panas, komposisi

kimia produk, analisis spesimen uji, metodologi pengujian batang las,

logam pengisi dan elektroda yang digunakan dalam pembangunan

pembuluh tekanan.

3. Bagian III - Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components

4. Bagian IV - Heating Boilers

5. Bagian V - Nondestructive Examination

6. Bagian VI - Recommended Rules for Care and Operation of Heating

Boilers

7. Bagian VII - Recommended Rules for Care of Power Boilers

8. Bagian VIII - Pressure Vessels

9. Bagian IX - Welding and Brazing Qualifications

10. Bagian X - Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels

11. Bagian XI - Rules for In-Service Inspection of Nuclear Power Plant

Components

Bagian, I, II, III, IV, V, VIII, IX, dan XI menetapkan aturan dan

persyaratan untuk pipa. Bagian II, V, dan IX adalah bagian tambahan dari

13

kode karena mereka tidak memiliki yurisdiksi mereka sendiri kecuali

dipanggil oleh referensi dalam kode Rekor untuk konstruksi, seperti Bagian

I atau III (Septian Rio: ASME (American Society of Mechanical Engineers,

2018).

2.5 Spesifikasi Kayu Sengon

Sengon (Albizia chinensis) adalah sejenis pohon anggota suku

Fabaceae. Pohon peneduh dan penghasil kayu ini tersebar secara alami di

India, Asia Tenggara, Cina selatan, dan Indonesia.

Sengon menghasilkan kayu yang ringan dengan densitas (massa jenis)

320–640 kg/m³ dengan kadar air 15%. Jenis kayu padat, berserat lurus dan

kasar, namun mudah dikerjakan. Kayu ini tidak diserang rayap tanah, karena

adanya kandungan zat ekstraktif di dalam kayunya.

(Kayu Sengon)

14

2.6 Prinsip-prinsip Pembakaran

2.6.1 Proses Pembakaran

Proses pembakaran merupakan proses yang terjadi secara

kimia antara bahan bakar/elemen mudah terbakar (combustible

element) dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan energi panas

yang dapat digunakan untuk keperluan manusia. Komponen utama

dari elemen yang mudah terbakar (combustible element) terdiri dari

carbon, hidrogen, dan campuran lainnya. Dalam proses pembakaran,

komponen-komponen tersebut terbakar menjadi karbondioksida dan

uap air. Sebagian sulfur juga terdapat pada bahan bakar (Singer,

1991). Pada suatu 8proses pembakaran, jumlah oksegen yang

digunakan dapat mempengaruhi kualitas pembakaran. Oksigen

memiliki jumlah mencapai 20,9% dari seluruh komponen dari udara.

Bahan bakarakan terbakar pada keadaan normal jika terdapat udara

yang cukup.

Nitrogen dianggap sebagai pengencer yang menurunkan suhu

yang harus ada untuk mencapai oksigen yang dibutuhhkan untuk

pembakaran. Nitrogen dapat bergabung dengan oksigen (terutama

pada suhu nyala tinggi) untuk menghasilkan oksida nitrogen (NOx)

yang merupakan pencemar yang beracun. Karbon, hidrogen, dan

sulfur dalam bahan bakar tercampur dengan oksigen diudara

membentuk karbon dioksida, uap air dan sulfur dioksida melepaskan

panas masing-masing 8.084 kkal, 28.922 kkal, 2.224 kkal. Pada kodisi

tertentu, karbon juga dapat bergabung dengan oksigen membentuk

15

karbon monoksida, dengan melepaskan sejumlah kecil panas (2.430

kkal/kg karbon). Karbon terbakar yang membentuk CO2 akan

menghasilkan panas persatuan bahan bakar dibandingkan

mengahasilkan CO atau asap.

2.6.2 Pembakaran 3 (Tiga) T

Pembakaran yang baik adalah pembakaran yang melepaskan

seluruh panas yang terbakar dalam bahan bakar. Agar mencapai

pembakaran yang baik/sempurna, dilakukan pengontrolan 3T, yaitu

a. Temperature/suhu yang cukup tinggi untuk menyalakan serta

menjaga penyalaan bahan bakar.

b. Turbulence/percampuran oksigen dan bahan bakar yang

seimbang

c. Time/waktu yang cukup untuk pembakaran

Gas alam mengandung kadar hidrogen lebih banyak dari pada

kandungan karbon per kg dari pada bahan bakar minyak. Sehingga

akan memproduksi lebih banyak uap air. Hal ini mengakibakan lebih

banyak panas yang terbuang pada pembuangan. Terlalu banyak atau

sedikitnya bahan bakar pada jumlah udara pembakaran tertentu, dapat

menyebabkan tidak terbakarnya bahan bakar dan membentuk karbon

monoksida. Jumlah O2 (oksigen) tertentu diperlukan untuk

pembakaran yang sempurna dengan tambahan sejumlah udara.

Namun, terlalu banyak udara juga mengakibatkan kehilangan panas

dan efisiensi. Tidak seluruh bahan bakar dirubah menjadi panas dan

diserap peralatan pembangkit. Saat ini hampir seluruh bahan bakar

16

untuk boiler, sudah mengandung sedikit atau tanpa sulfur. Sehingga

tantangan utama pada efisiensi adalah mengarah pada karbon yang

tidak terbakar yang masih menghasilkan CO dan CO2.

(Gambar 2.4-Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak

sempurna)

2.6.3 Persamaan Gas Ideal

Persamaan gas ideal merupakan persamaan keadaan suatu gas

ideal. Persamaan ini pertama kali dicetus oleh Emile Clapeyron 1834

sebagai perpaduan antara hukum Boyle dan Hukum Charles.

Persamaan ini umumnya ditulis sebagai PV = nRT. Dimana P adalah

tekanan gas, V adalah Volume, n adalah jumlah partikel gas, T adalah

temperatur dalam satuan kelvin dan R adalah konstanta gas ideal

(0,08205 L atm/mol K).

(Gambar 2.5-Konversi Temperatur)

17

2.6.4 Energi

Dalam ilmu fisika, energi adalah kemampuan untuk melakukan

suatu usaha. Dalam SI, satuan energi adalah joule. Ada berbagai

macam bentuk energi, namun tipe emergi ini harus memenuhi

berbagai kondisi seperti dapat diubah menjadi energi lainnya,

mematuhi hukum konversi energi, dan menyebabkan perubahan pada

benda bermassa yang dikenai energi tersebut. Bentuk energi yang

umum diantaranya energi kinetik, energi radiasi, energi potensial, dan

energi panas yang terdiri dari energi potensial dan kinetik. Energi

dibedakan menjadi:

1. Energi tersimpan

a. Energi potensial

Adalah energi yang dimiliki oleh suatu zat karena kedudukan

dan kondisinya.

Ep = m.g.h [Joule]

m = massa (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

h = ketinggian (m)

b. Energi kinetik

Adalah energi yang dimiliki suatu zat yang bergerak.

Ek = 1

2(m.v2) [Joule]

m = massa benda (kg)

v = kecepatan (m/s)

c. Energi kimia

18

Adalah energi yang tersimpan karena reaksi kimia

d. Energi nuklir

Adalah energi yang dimiliki suatu zat karena aktifitas paralel

atau molekul-molekulnya.

E = m.c2 [Joule]

2. Energi peralihan

a. Panas (Q)

Adalah energi yang dimiliki suatu zat karena perbedaan

temperatur (ΔT)

dQ = m.c.dT [Joule]

b. Kerja (W)

Adalah energi yang dimiliki suatu zat karena perbedaan (ds)

dW = F.s [Joule]

F = gaya (N)

s = jarak perpindahan (m)

c. Kerapatan (ρ) : m/V

d. Volume spesifik (υ̅) : volume sebenarnya/massa [m3/kg]

e. Berat jenis (γ) : berat/volume [kgf/m3]

f. Tekanan (P) : F/A [N/m3]

(kandi 2010, 5-18)

2.6.5 Debit (q)

Adalah sejumlah besar volume fluida yang mengalir melalui

luas penampang tertentu. Istilah debit dalam hidrologi sinonim dengan

debit aliran yang digunakan pakar hidrologi sungai, dan debit keluaran

19

(outflow) yang digunakan dalam sistem penampungan air, namun

berbeda dengan debit masukan (inflow). Satuan international untuk

menyatakan debit adalah volume per satuan waktu (m3/s), atau (ft3/s)

dalam satuan imperial.

2.6.6 Hukum Poiseuille

Fluida yang tidak memiliki viskositas tidak membutuhkan

gaya untuk mengalir, sebaliknya fluida yang memiliki viskositas

membutuhkan gaya untuk mengalir, dan melawan gaya gesek.

Akibatnya,debit fluida tidak tergantung pada luas penampang dan

kecepatan fluida mengalir. Debit fluida mengalir bergantung pada

kekentalan, jari-jari pipa, dan perbedaan tekanan antara ujung pipa.

Hubungan debit fluida (q), viskositas fluida (μ), perbedaan tekanan

(ΔP), panjang pipa (L), dan jari-jari pipa (r), tersebut dapat dituliskan,

q = (π x r4 x (P1−P2))

(8 x μ x L)

Persamaan inilah yang dikenal dengan rumus Poiseuille yang

diambil dari nama ilmuan Prancis J.L. Poiseullie (1799-1869) yang

merupakan seorang ilmuan fisika.

2.6.7 Neraca Kalor

Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi, rasio penguapan,

waktu pembakaran, permukaan penukaran panas yang kotor, buruknya

operasi dan pemeliharaan. Buruknya kinerja boiler bisa disebabkan

20

oleh buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air, bahkan untuk

boiler yang baru sekalipun.

Neraca panas dapat membantu mengidentifikasi kehilangan

panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat

membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari

efisiensi terbaik dan target untuk tindakan perbaikan. Neraca panas

merupakan keseimbangan energi total yang masuk dan keluar boiler

dalam bentuk yang berbeda (energi masuk = energi keluar)

(UNEP,2008). Sebagai energi masuk atau suplay energi (Qin) adalah

jumlah energi hasil pembakaran bahan baker yang digunakan:

• Energi masuk/suplai

Qin = Wf x (LHV) kJ/jam

Energi keluar (Qout) adalah energi yang diserap oleh air umpan sampai

terbetuk uap dalam ketel/boiler. Jadi energi yang diserap:

• Energi keluar/diserap

Qout = Ws (hu - ha) kJ/jam

Kehilangan energi panas (Qlost) adalah kehilangan panas yang

disebabkan oleh kondisi pembakaran dan peralatan ketel. Jadi secara

sederhana dinyatakan sebagai berikut:

Qlost = [Wf x (LHV)] – [Ws (hu - ha)] kJ/jam

Efisiensi (ɳboiler) =Ws x (hu−ha)

Wf x LHVx100 %

Keterangan: Ws = kapasitas produksi uap (kg/jam)

Wf = konsumsi bahan bakar (kg/jam)

ha = entalpi uap (kJ/kg)

21

hu = entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg)

LHV = nilai kalor pembakaaran rendah (kJ/kg)

2.6.8 Efisiensi Boiler

Efisiensi adalah tingkatan kerja/prestasi kerja dari suatu alat.

Sedangkan efisiensi boiler adalah prestasi kerja boiler atau ketel uap

yang didapatkan dari perbandingan antara energi keluar dengan

masukan energi kimia dari bahan bakar. Untuk tingkat efisiensi pada

boiler atau ketel uap berkisar antara 70 % - 90% (Agung.N 2007).

Terdapat dua metode pengkajian terhadap efisiensi boiler:

a. Metode langsung: atau metode ‘input-output’ karena metode ini

hanya memerlukan output (steam/uap) dan inputan panas (bahan

bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi

dengan menggunakan persamaan:

Efisiensi = (Qin/Qout) x 100%

=Ws x (hu−ha)

Wf x LHVx100 %

Dimana:

Ws = kapasitas produksi uap/steam (kg/jam)

Wf = konsumsi bahan bakar (kg/jam)

ha = entalpi uap (kJ/kg)

hu = entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg)

LHV = nilai kalor pembakaaran rendah (kJ/kg)

22

b. Metode tidak langsung: atau metode kehilangan panas. Efisiensi

dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari

100 sebagai berikut:

Efisiensi = 100 – (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan

panas yang diakibatkan oleh:

i. Gas cerobong yang kering

ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar

iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar

iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran

v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu (terbang keluar

cerobong)

vi. Bahan bakar yan tidak terbakar dalam abu (badalam tungku)

vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung

2.6.9 Uap (steam)

Uap air adalah jenis fluida yang merupakan fase gas dari air,

yang mengalami pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan

tertentu. Uap air tidak berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam

keadaan murni kering. Uap air dipakai pertama sekali sebagai fluida

kerja oleh James Watt yang terkenal sebagai penemu Mesin Uap

Torak.

Uap air tidak mengikuti hukum-hukum gas sempurna, sampai

dia benar-benar kering (kadar uap 100%). Bila uap air kering

23

dipanaskan lebih lanjut maka dia menjadi uap air panas (panas lanjut)

dan selanjutnya dianggap sebagai gas sempurna.

Uap air terbentuk dalam tiga jenis, yaitu :

1. Uap saturasi basah

2. Uap saturasi kering

3. Uap air panas

2.6.10 Proses Pembentukan Uap (Steam)

Bila diatas sekeping logam terdapat beberapa tetes air, dan

perhatikan molekul-molekul air tersebut, temperatur air pada saat itu

ialah T0 Kelvin atau T0 oCelcius. Molekul-molekul air tersebut

bergerak bebas dalam lingkungannya dengan kecepatan V meter/detik.

Molekul-molekul air tersebut dalam gerakannya, yaitu lingkungan air

karena adanya gaya tarik menarik antara molekul-molekul air itu

sendiri. Apabila dibawah kepingan logam tersebut dipasang api (api

dari batang lilin, korek api dsb) sedemikian sehingga api tersebut

memanasi kepingan logam yang diatasnya terdapat beberapa tetes air,

maka temperatur air tersebut akan menjadi T1 Kelvin dan ternyata

kecepatan gerak dari molekul-molekul air tersebut akan bertambah

menjadi V1 meter/detik namun belum mampu untuk melepaskan diri

dari lingkungannya. Bila api yang dipasang dibawah kepingan logam

tersebut ditambah besarnya, sehingga temperature air diatas kepingan

logam tersebut mencapai Td Kelvin, sedangkan kecepatan gerak

molekul air tersebut telah mencapai Vd meter/detik, sehingga molekul-

molekul air tersebut akan berubah menjadi uap yang kecepatan

24

geraknya melebihi kecepatan gerak molekul-molekul air semula.

Proses yang demikian disebut dengan “Proses Penguapan”. Molekul-

molekul air berubah menjadi molekul uap, atau bisa disebut bahwa air

tersebut sedang “mendidih” karena permukaan air sedang bergejolak.

Temperatur ini pada saat itu mencapai (temperatur mendidih) yaitu Td

Kelvin. Bila api masih saja ditambah besarnya, hal ini tidak akan

berpengaruh pada temperatur karena temperatur mendidih Td Kelvin

tidak akan berubah jika selama tekanan yang ada diatasnya

dipertahankan besarnya.

Adapun keuntungan penggunaan air sebagi fluida kerja yang

lain:

• Mudah diperoleh dengan harga yang murah

• Air dapat bersifat netral (pH = 7) sehingga sifat korosif yang

merusak logam dapat diatasi.

• Air tidak terbakar

• Mampu menerimakalordalam jumlah besar

• Dapat bekerja pada tekanan yang tinggi

Didalam boiler/ketel uap, uap yang terbentuk dari pemanasan ini

dirubah menjadi uap basah ataupun kering melalui beberapa tahap.

Dengan demikian uap yang terbentuk dapat digolongkan kedalam

berbagai bentuk jenis uap yaitu:

25

2.6.10.1 Uap Basah

Kondisi uap ini mengandung titik-titik air. Kwalitas uap ini

dapat dinyatakan dengan kwalitas uap tertentu (x), dimana

harga x berkisar antara 0<x<1. Dalam hal ini temperatur air

dan uap adalah sama seperti ditunjukkan pada gambar 2.1.

Kondisi uap berada padatitik 2 dan 3.

2.6.10.2 Uap Jenuh

Kondisi uap ini tidak mengandung titik-titik air lagi.

Kualitas uap pada kondisi ini x = 100%. Uap ini diperoleh

dengan penambahan kalor pada uap basah sama sehingga

mencapai titik 3.

2.7 Bagian-Bagian Ketel Uap (Boiler)

2.7.1 Badan Boiler

Jenis boiler yang dipilih adalah boiler pipa api (fire tube). Boiler

pipa api bekerja dengan pipa-pipa api yang berada dalam silinder

tabung. Pemanasan dihasilkan dari pembakaran didalam ruang bakar

dan menyalurkan panas melalui pipa api. Air yang berada disekitar

pipa api selanjutnya akan memanas dan menghasilkan uap air yang

disalurkan untuk memutar turbin. Badan boiler bekerja dengan

tekanan dari dalam (part under internal pressure), sehingga material

yang digunakan dalam perencanaan ini menyesuaikan kebutuhan

perencanaan. Adapun perhitungan dengan rumus:

26

t = PR

SE−0,6 P S = Maximum Allow = ksi = lb/in2

E = joint coeficient

P = tekanan = bar = lb/in2

R = Radius dalam badan ketel = mm = in

D = diameter dalam badan ketel = mm = in

(ASME-Section IV)

2.7.2 Pipa Api (Fire Tube)

Pipa api merupakan alat penguapan (evaporator) yang

mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial

uap, yaitu panas dari api memanaskan air dan menjadi uap air. Pipa

api bekerja dengan mendaparkan gaya tekan dari luar (parts under

external pressure), sehingga rumus yang digunakan dalam perhitungan

adalah sebagai berikut:

t = 𝑃.𝑅

𝑆𝐸−0,6 𝑃= ⋯ … 𝑚𝑚

(ASME-Section IV)

Data Material

S = tekanan kerja mak

E = Joint Coefi

Tekanan perancangan

2.7.3 Tubesheet

Pipa api pada boiler yang digunakan, dipasang dengan

pemasangan yang tetap. Tubesheet adalah tempat untuk menopang

pipa-pipa api pada boiler. Ketebalan yang dibutuhkan, maksimal jarak

antar pipa api, dan tekanan perancangan untuk tubesheet dengan pipa

27

api yyang digunakan dengan pemasangan tetap dapat dihitung dengan

rumus sebagai berikut:

t = √[P

CS] [p2 −

πD2

4]

p =

√[𝐶𝑆𝑡2

P] + [p2 −

πD2

4]

P = 𝐶𝑆𝑡2

𝑝−[𝜋𝐷2

4]

Dimana:

t = tebal plat yang dibutuhkan

p = maksimal jarak antar pipa api (inch)

C = 2,7 untuk pipa api ketebalan las kurang dari

11 mm (7/16 inch).

2,8 untuk pipa api ketebalan las lebih dari

11 mm (7/16 inch).

S = kekuatan tegangan maksimal material

(maximum allowable stress) (psi)

P = tekanan perancangan (design pressure) (psi)

D = diameter luas pipa (inch)

(ASME Sec IV 2013:28)

2.7.4 Ligament

Ligament adalah jarak lubang antar pipa pada tubesheet.

Ligament menggunakan pola jarak yang sama pada setiap baris.

Effisiensi ligament ditentukan dengan menggunakan persamaan :

𝐸 =𝑝 − 𝑑

𝑝

(ASME Sec IV

2013:28)

p = jarak antar lubang = in (mm)

d = diameter lubang pipa api = in (mm)

E = efisiensi ligament

28

(Gambar 2.6-Ligament)

2.8 Instrumen Penunjang Rancangan Ketel Uap

2.8.1 Manometer / Pressure Gauge

Manometer adalah alat yang berfungsi mengukur tekanan

uap dalam ruang ketel. Pemasangan manometer pada dinding

ketel uap ini menggunakan pipa angsa (symphon pipe) yang

berfungsi untuk menghindari kesalahan pengukuran, karena

temperatur tinggi yang langsung dihubungkan dengan

manometer.

(Gambar 2.7-Manometer/pressure gauge)

2.8.2 Thermometer

Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur

suhu (temperatur) uap yang beroperasi didalam ketel.

29

(Gambar 2.8-Thermometer)

2.8.3 Water Level Gauge

Water Level Gauge merupakan alat yang digunakan untuk

pengukur ketinggian air (water level gauge). Ketinggian air harus

dijaga agar tetap berada pada standart ketinggian air yang

ditetapkan. Untuk menjaga agar ketinggia air tetap berada pada

ketentuannya, maka dipasang water level gauge dengan berbahan

glass sehingga ketinggian air dapat dibaca dari tabung kacanya.

30

(Gambar 2.9-Water Level Gauge)

2.8.4 Safety Valve

Safety valve merupakan alat pengaman yang bekerja bila

terdapat tekanan lebih dari ketel uap atau tekanan pada ketel uap

melebihi batas tekanan yang diijinkan.

(Gambar 2.10-Safety Valve)

31

2.8.5 Blowdown Valve

Blowdown valve berfungsi membuang air yang ada

didalam ketel uap sewaktu-waktu jika ingin melakukan

pengurasan. Katup ini juga diganakan untuk memasukan air

pengisian.

(Gambar 2.11-Blowdown Valve)

2.8.6 Main Steam Valve

Katub ini berfungsi sebagai pembuka dan penutup jalur

utama steam (uap) yang akan digunakan untuk proses

merebus/produksi.

(Gambar 2.12-Main Steam Valve)