4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Boiler

Boiler merupakan mesin kalor (thermal engineering) yang mentransfer

energi-energi kimia atau energi otomis menjadi kerja / usaha (Muin : 28). Boiler

atauketel uap adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yang digunakan untuk

menghasilkan steam. Steam diperoleh dengan memanaskan bejana yang berisi air

dengan bahan bakar, (Yohana dan Askhabul 2009 : 13). Boiler mengubah energi-

energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja. Boiler

dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalor dari suatu sumber

pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar. Boiler berfungsi

sebagai pesawat konversi energi yang mengkonfersikan energi kimia (potensial)

dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari 2 komponen utama, yaitu:

1. Dapur sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas.

2. Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran (energi

panas)menjadi energi potensial uap (energi panas).

Boiler pada dasarnya terdiri dari bumbungan (drum) yang tertutup pada ujung

pangkalnya, dan dalam perkembangannya dilengkapi dalam pipa api maupun pipa

air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang

masing-masing (Muin 1988 : 8). Boiler berguna untuk menghasilkan uap yang akan

digunakan untuk memasak (merebus) bubur kedelai. Tujuan perebusan adalah

untuk mendenaturasi protein dari kedelai sehingga protein mudah terkoagulasi saat

penambahan asam.

Pada perancangan boiler ini akan dirancang boiler yang cocok untuk industry

tahu. Yakni boiler bertipe pipa api.

5

2.2 Uap Atau Steam

Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan face gas dari air, bila 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 adalah 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 adi kering dipanaskan lebih lanjut maka dia

menjadi uap adi panas (panas lanjut) dan selanjutnya dapat dianggap sebagai gas

sempurna. Uap air terbentuk dalam 3 jenis, yaitu :

1. Uap saturasi basah

2. Uap saturasi kering

3. Uap adi panas (muin,1988 : 109)

Uap yang digunakan untuk pemasakan bubur kedelai padapada perancangan

ketel industri tahu ialah uap saturasi kering,akan tetapi lebih efisien lagi jika dalam

pemasakan kedelai menggunakan uap adi panas. Maka dari itu perlu merancang

ketel dengan efisiensi yang tinggi agar menunjang dalam proses produksi tahu.

Ketel yang akan dirancang ialah ketel pipa api karena mempunyai efektivitas dan

efisiensi produksi uap yang tinggi.

2.3 Pemanasan Sistem Uap Pada Produksi Tahu

Tahu merupakan salah satu makanan tradisional yang populer. Bahan makanan

ini diolah dari kacang kedelai. Pada proses pembuatan tahu ini bahan bakunya yaitu

kacang kedelai, air, garam, dan bumbu yang lainnya. Proses pembuatan tahu

umumnya terdiri dari beberapa tahap yaitu :

1. Perendaman

2. Pencucian kedelai

3. Penggilingan

6

4. Perebusan/pemasakan

5. Penyaringan

6. Pengendapan dan penambahan bumbu

7. Pencetakan dan pengepresan

Proses perebusan bubur kedelai pada industri tahu umumnya masih dilakukan

dengan alat konfensional. Proses perebusan dilakukan yaitu dengan menggunakan

dandang yang dipanaskan diatas api dengan bahan bakar kayu. Proses perebusan

kedelai juga dapat dilakukan dengan menggunakan pemanasan sistem uap. Proses

perebusan ini dilakukan disebuah bak berbentuk bundar yang dibuat dari semen

atau dari logam yang dibagian bawahnya terdapat pemanas uap.

Uap panas berasal dari ketel uap atau boiler yang dialirkan melalui pipa besi.

Bahan bakar yang digunakan sebagai sumber panas adalah kayu bakar. Tujuan

perebusan adalah untuk mendenaturasi protein dari kedelai sehingga protein mudah

terkoagulasi saat penambahan bumbu. Titik akhir perebusan ditandai dengan

timbulnya gelembung-gelembung panas dan mengentalnya larutan/bubur kedelai

(purba,2017).

Pada perancangan boiler pipa api yang akan dirancang untuk industri tahu ini

, sistem pemanasan uapnya sama dengan pabrik tahu pada umumnya. Akan tetapi

yang membedakan ialah pemakaian bahan bakar. Pada industri umumnya

menggunakan bahan bakar kayu, dengan kelangkaan kayu saat ini maka

perancangan ini menggunakan bahan bakar alternative yakni bahan bakar pirolisis

sampah plastik

2.4 Bahan Bakar Cair

Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam

tanah dengan jalan mengebornya di ladang-ladang minyak, dan memompanya

sampai ke atas permukaan bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi

berbagai jenis minyak bakar.

7

Umumnya dari minyak bumi (crude oil), dapat dipisah-pisahkan beberapa

macam bahan bakar cair, antara lain berbagai jenis bensin, minyak tanah, kerosin,

berbagai minyak solar serta berbagai jenis minyak bakar untuk ketel uap.

Pemisahan-pemisahan menjadi beberapa jenis bahan bakar tersebut dilakukan

dengan jalan distilasi bertingkat, melalui berbagai tingkatan temperatur

(Djokosetyardjo, 1989).

2.4.1 Minyak Pirolisis Plastik

Penggunaan plastik didalam kehidupan masyarakat sangat luas.Hal ini karena

plastik memiliki banyak kelebihan dibandingkan bahan lainnya.Sebagian besar

plastik yang digunakan masyarakat merupakan jenis plastik polietilena.Ada dua

jenis polietilena, yaitu high density polyethylene (HDPE) danlow density

polyethylene (LDPE).HDPE banyak digunakan sebagai botol plastik minuman,

sedangkan LDPE untuk kantong plastik.Sehingga tidak mengherankan jikalau

limbah plastik sangat banyak dan sulit untuk ditanggulangi, sehingga diharapkan

limbah plastic ini dapat didaur ulang menjadi bahan yang lebih bermanfaat.

Salah satu perusahaan di Indonesia yaitu PT. Artha Teknindo – Artech

mengatakan bahwa limbah plastik dapat menjadi BBM.Dalam mengolah limbah

plastik menjadi BBM, limbah plastik tidak diperlukan perlakuan pre‐sortir dan tidak

pula diperlukan kondisi yang harus bersih dari kotoran seperti pasir, abu, kaca,

logam, tekstil, air, minyak bekas dll.Setiap satuan berat plastik, dapat

menghasilkan70% Minyak, 16% Gas, 6% Carbon Solid dan 8% Air. Adapun

karakteritik dari minyak plastic yaitu antara lain massa jenis 0,73 kg/L dengan nilai

kalor sebesar 10498 kJ/kg.Menurut penelitian Joko Santoso, 2010, masa jenis

minyak plastik dengan suhu reaktor pada antara 350 oC sampai 450 oC,

menghasilkan massa jenis rata-rata sebesar 0,74 kg/L, viskositas 0,51 m2/s dan nilai

kalor sebesar 43,33 MJ/kg (Irawan,2015). Maka dari itu minyak dari sampah plastik

ini digunakan untuk bahan bakar ketel sebagai bahan bakar alternative juga

berperan mengurangi sampah plastic yang menumpuk.

8

Oleh alasan yang terperinci diatas, pada perancangan ketel pipa api untuk

industry tahu ini akan menggunakan bahan bakar pirolisis dari sampah plastik guna

mengurangi sampah plastic yang menumpuk serta mengurangi polusi yang

diakibatkan oleh pembakaran langsung dari sampah plastik ini.

2.5 Instrumen Boiler Penunjang Perancangan

Adapun instrument penyusun ketel adalah sebagai berikut

1. Pressure Gauge

Pressure Gauge berfungsi sebagai alat untuk menunjukkan besarnya

tekanan uap di dalam boiler. Pada pemasangan manometer ini digunakan

pipa angsa (symphon pipe) untuk menghindari kesalahan pengukuran

karena tekanan dan temperatur tinggi langsung dihubungkan dengan

manometer.

Gambar 2.1 Pressure Gauge

Perlu diketahui juga berapa kisaran dari kerja suatu Pressure Gauge

hal tersebut diperlukan untuk mengetahui tekanan maksimum yang

diijinkan pada perancangan ini di mana sistem atau peralatan dirancang

untuk beroperasi dengan aman. Pressure gauge yang digunakan ialah

pressure gauge tipe analog dengan tekanan yang tinggi. Pemilihan rentang

ukur pressure gauge biasanya mengacu pada tekanan normal pada saat

sistem bekerja. Standar ASME B40.1 merekomendasikan tekanan normal

9

pada saat sistem bekerja pada 25% sampai dengan 75% dari rentang ukur

pressure gauge. Namun, jika tekanan yang akan diukur ternyata gampang

berubah, ada baiknya tidak melebihi 50% dari rentang ukur pressure gauge.

2. Thermometer

Thermometer berfungsi untuk mengukur temperatur yang

beroperasi di dalam boiler. Thermometer yang digunakan harus melebihi

temperatur maksimal yang digunakan, yaitu harus lebih dari 1500 0C.

Gambar 2.2 Thermometer

Thermometer yang dipakai pada perancangan ini ialah thermometer

tipe bimetal, yang sistem kerjanya menggunakan logam sebagai bahan

untuk menunjukkan adanya perubahan suhu dengan prinsip logam yang

memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan.

3. Water level gauge

Pada pengoperasian boiler sebagai peralatan utamanya harus ada

alat pengukur ketinggian air (water level gauge). Level air harus dijaga agar

tetap berada pada standar level air, untuk itu harus dapat mengetahui tentang

level air secara benar.

10

Gambar 2.3 Water Level Gauge

Jenis water level gauge yang digunakan pada perancangan ini yaitu

reflex glass dengan mengetahui level air dari tabung kaca.

4. Safety valve

Safety valve berfungsi sebagai pengaman yang akan bekerja bila

terdapat tekanan lebih pada ketel uap atau tekanan pada ketel uap melebihi

batas tekanan yang diijinkan.

Gambar 2.4 Safety Valve

Safety valve yang digunakan pada perancangan ini ialah safety

valve yang umum digunakan pada ketel yang mengacu pada standart

ASME.

11

5. Main steam valve

Katub ini berfungsi sebagai pembuka dan penutup jalur utama

steam yang akan digunakan untuk proses produksi tahu. Main steam valve

yang digunakan pada perancangan ketel ini ialah yang sudah tertera pada

standart ASME ketel uap.

6. Blowdown valve

Berfungsi untuk membuang air maupun kotoran yang ada di dalam

boiler. Air dalam boiler akan menjadi kondesat dan di dalamnya juga

terdapat padatan-padatan dan dapat menjadi kerak. Blowdown valve ini

juga digunakan untuk memasukkan air pengisian (purba,2017).

Gambar 2.5 Blowdown Valve.

Blowdown yang digunakan pada perancangan ini ialah blowdown

yang mempunyai standart ASME yang telah dikeluarkan dan dikembangkan

dipasaran.

7. Burner

Di dalam pembakaran dari bahan bakar cair, diperlukan suatu proses

penguapan atau proses atomisasi bahan bakar. hal ini diperlukan untuk

mendapatkan pencampuran yang baik dengan udara pembakaran. Minyak

12

bakar distilat bisa terbakar dengan api yang biru jika secara sempurna bahan

bakar ini diuapkan dan tercampur merata (homogenous) dengan udara

sebelum terbakar. Burner yang digunakan untuk membakar bahan bakar

dalam bentuk uap atau bentuk atom-atom (spray-doplet) sebelum terbakar

berbeda konstruksi dasarnya, yaitu vaporizing burner dan atomizing burner.

Gambar 2.6 Burner Bahan Bakar Cair.

Instrument diatas dipasang pada perancangan ketel pipa api pada industry

pembuatan tahu karena diperlukan untuk pengontrolan uap yang keluar dari dalam

ketel menuju bak pemasakan tahu. Instrument diatas juga berguna untuk

mengatasi human error pada pengoperasiannya, sehingga dapat terhindar dari

kecelakaan yang diakibatkan oleh boiler.

2.6 Klasifikasi Ketel Uap

Ketel Uap banyak sekali macamnya, dan perkembangannya dapat

mengikuti kemajuan teknologi masa kini. Dari sekian banyak macam ketel perlu

dikelompokkan menjadi beberapa bagian. sesuai kegunaannya, konstruksinya dan

lain-iain. Di bawah ini akan diuraikan pengelompokan tersebut secara garis besar:

Ketel dibuat untuk menghasilkan uap dengan jalan memanasi air yang

ada di dalamnya oleh gas panas hasil pembakaran bahan bakar. Ketel harus

bekerja seefisien mungkin; artinya harus dapat menghasilkan uap sebanyak-

banyaknya dengan pemakaian bahan bakar yang seminimal mungkin. Oleh

karena itu konstruksi ketel harus sedemikian sehingga panas dari bahan bakar

harus sebanyak-banyaknya dapat diserap oleh air ketel guna menghasilkan uap.

13

Untuk mencapai hal tersebut maka konstruksi ketel dibuat dari susunan pipa-

pipa yang memisahkan antara air dan gas-gas panas yang memanaskan air

tersebut.

2.6.1 Dilihat dari zat yang mengalir di dalam pipanya, ketel dibagi menjadi

tiga golongan yaitu :

1. Ketel-ketel lorong api dan ketel-ketel pipa api

Yaitu ketel-ketel api dan gas asap yang digunakan untuk memanasi air

dan uap, akan melalui silinder api, lorong-lorong api dan pipa-pipa ataupun

tabung-tabung api (fire cylinder, fire duct, fire pipes and fire tubes), yang

dibagian luarnya terdapat air atau uap.

Jenis ketel-ketel uap yang tergolong dalam ketel lorong api atau ketel

pipa api adlah ketel-ketel uap kecil serta sederhana, yang hanya mampu

memproduksi uap maksimum sebanyak 10 ton uap per jam, dengan tekanan

maksimum 24 kg/cm2. Jadi tergolong ketel-ketel untuk tekanan rendah.

Ketel-ketel ini merupakan awal dari pembuatan ketel-ketel

selanjutnya. Ketel-ketel ini umumnya mempunyai isi air yang cukup besar,

sehingga merupakan tangki.

Yang termasuk dalam golongan ini ialah ketel-ketel :

a) Ketel cornwell dan ketel Lancashire

Gambar 2.7 Ketel Lancashire.

b) Ketel schots dan ketel schots kembar

14

Gambar 2.8 Ketel Schots.

c) Ketel kombinasi antara silinder api, lorong api, dan pipa-pipa api,

serta pipa uap, beserta beberapa varian

Gambar 2.9 Ketel Kombinasi.

d) Ketel lokomotif dan lokomobil

Gambar 2.10 Ketel Lokomotif.

e) Ketel-ketel tegak, ketel Cochran dan variannya

15

Gambar 2.11 Ketel Cochran.

2. Ketel-ketel pipa air biasa

Yaitu ketel-ketel air atau uap di dalam pipa-pipa atau tabung-tabung,

yang dipanasi olehapi atau asap di bagian luarnya. Ketel-ketel pipa air ini

umumnya bertekanan sedang yaitu antara 45 kg/cm2 sampai dengan 140

kg/cm2, dengan produksi uap mencapai 1000 ton uap setiap jamnya. Jenis-

jenis ketel ini mempunyai efisiensi total yang lebih besar dari ketel-ketelm

pipa api. Peralatan –peralatan pada ketel ini umumnya sudah tidak lagi

dilayani dengan tangan (manusia).

Yang termasuk dalam golongan ketel-ketel pipa air biasa ialah :

a) Ketel seksi (section boiler) dan beberapa variannya

Gambar 2.12 Ketel Seksi.

b) Ketel yarrow dan ketel-ketel berpipa terjal serta beberapa variannya

Gambar 2.13 Ketel Yarrow.

c) Ketel-D (D-boiler) atau ketel dengan dua drum.

16

Gambar 2.14 Ketel-D.

d) Ketel pancaran dan beberapa variannya

Gambar 2.15 Ketel Pancaran.

3. Ketel-ketel pipa air dengan perencanaan khusus

Ketel-ketel pipa air jenis ini direncanakan dengan berbagai maksud, antara

lain :

-digunakan untuk tekanan-tekanan tinggi dan tekanan superkritis,melebihi

225 kg/cm2

-untuk dapat menggunakan bahan bakar nuklir

-untuk menggunakan air dengan kualitas yang agak rendah

17

-untuk memperbesar beban tungkun ketel atau untuk memperbesar angka

perpindahan panasnya

-dan untukmaksud-maksud lain

Yang termasuk dalam golongan ketel-ketel pipa air dengan perencanaan

khusus ialah :

a. Ketel siklus ganda atau Binaire cycle boiler, dengan variannya

berupa ketel/reactornuklir.

Gambar 2.16 Reaktor Nuklir.

b. Ketel-ketel untuk tekanan super kritis, yaitu ketel Benson, ketel

Sulzer dan ketel Universal pressure boiler.

Gambar 2.17 Ketel Sulzer.

c. Ketel Loffler atau ketel siklus uap (circulating steam boiler) yang

memungkinkan pengguna air dengan kualitas agak rendah.

18

Gambar 2.18 Ketel Loffler.

d. Ketel Velox dan ketel-ketel dengan tungku bertekanan dengan

maksud memperbesar beban tungku serta memperbesar angka

perpindahan panasnya.

Gambar 2.19 Ketel Velox.

e. Ketel Merkuri, yang menggunakan air raksa dan uapnya

Ketel-ketel jenis ini didesain dengan maksud untuk penyempurnaan

ketel-ketel pipa air yang telah ada sebelumnya atau ketel-ketel pipa

air yang biasa.

19

Gambar 2.20 Ketel Merkuri.

2.6.2 Dilihat dari Letak Dapur (Furnace Position), ketel dibagi menjadi :

1. Ketel dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler).

Dalam hai ini dapur berada (pembakaran terjadi )di bagian dalam ketel .

kebanyakan ketel pipa api memakai system ini.

Gambar 2.21 Ketel Pembakaran Dalam.

2. Ketel dengan pembakaran di luar (outernally fired steam boiler).

Dalam hai ini dapur berada (pembakaran terjadi )di bagian dalam ketel .

kebanyakan ketel pipa air memakai system ini.

Gambar 2.22 Ketel Pembakaran Luar.

20

2.6.3 Dilihat dari Porosnya Tutup Drum (Shell), ketel dibagi menjadi :

1. Ketel tegak (vertikal steam boiler), seperti ketel cocharn, ketel clarkson dll.

Gambar 2.23 Ketel Tegak.

2. Ketel mendatar (horizontal steam boiler), seperti ketel cornish,

lancashire, scotch dll.

Gambar 2.24 Ketel Mendatar.

2.6.4 Dilihat dari Bentuk dan Letak Pipa, ketel dibagi menjadi :

1. Ketel dengan pipa lurus, bengok dan berllekak-lekuk ( stright, bent

and sinous tubeler heating surface )

Gambar 2.25 Ketel Pipa Lurus.

21

2. Ketel dengan pipa miring datar dan miring tegak (horizontal, inclined

or vertical tubeler heating surface )

Gambar 2.26 Ketel Pipa Miring.

2.6.5 Dilihat dari Peredaran Air Ketel (water circulation), ketel dibagi

menjadi:

Gambar 2.27 Ketel Peredaran.

1. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler). Pada

natural circulation boiler, peredaran air dalam ketel terjadi secara alami

yaitu air yang ringan naik, sedangkan terjadilah aliran aliran conveksi

alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel

lancashire, babcock & Wilcox.

2. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler). Pada

ketel dengan aliran paksa, aliran peksa diperoleh dari sebuah pompa

centrifugal yang digerakkan dengan elektric motor misalnya la-mont

boiler, benson boiler, loeffer boiler dan velcan boiler.

Dari uraian macam-macam ketel diatas, diambil ketel jenis pipa api

untuk diterapkan dalam perancangan ketel pada industri tahu. Ketel pipa api

merupakan ketel yang memiliki efisiensi tinggi dari tipe-tipe sederhana

22

lainnya seperti ketel pipa air. Ketel pipa api sendiri memiliki beberapa

bentukan (tipe) antara lain Lanchashire, Schots, Lokomotif, Kombinasi, dan

ketel tegak (Cochran). Dari semua tipe tersebut yang paling cocok dan

efektif untuk perindustrian tahu ialah ketel Schots.

2.7 Ketel Schots dan Ketel Schots Kembar

Jenis ketel yang dibicarakan berikut ini direncanakan agar api atau gas

asap selalu bersinggungan dengan dinding-dinding yang berbatasan dengan

air atau uap.

Ketel ini, seperti halnya pada ketel Lancashire, mempunyai dua atau

tiga buah silinder api, namun silinder-silinder api tersebut bermuara pada

kotak api (Flame Case). Kotak api tersebut seluruhnya terendam di dalam

air yang ada di dalam drum ketel.

Api dan gas asap mengalir dari rangka bakar yang terdapat di dalam

silinder api, melalui silinder-silinder api sampai ke kotak api sampai ke

kotak api, dan dari kotak api melalui ppa-pipa api dan mencapai cerobong

asap dan keluar melaluinya.

Nampak perbedaannya dengan ketel cornwell atau ketel Lancashire,

bahwa drum ketel atau tangki ketel tidak terlalu panjang, serta adanya

perbedaan bahwa tidak ada tembokan-tembokan ketel, kecuali beberapa

batu tahan api penunjang rangka bakar.

Perbedaan memuai antara silinder api dan pipa-pipa api tidak terlalu

besar, yang antara lain disebabkan pendeknya ketel. Bila masih terdapat

perbedaan pemuaian antara silinder api dan pipa-pipa api, maka hal ini

diatasi dengan membuat silinder api bergelombang yang dengan demikian

mudah memegas, dan mencegah melengkungnya front yang atar dari kotak

api dan front belakang tangki ketel. Dengan demikian ketel ini tidak mudah

bocor akibat pemuaian.

Pipa-pipa api dipasang pada lubang-lubang yang terdapat pada front

belakang drum ketel, dan pada front kotak api dengan cara dilindis atau

dirol.

23

Bila ada pipa api yang bocor pada tempat pelindisannya, dapat

diperbaiki dengan melindis kembali pipa yang bocor tersebut. Ulangan

pelindisan hanya dapat dilakukan beberapa kali saja, sesudah itu pipa

menjadi mat terlindis, dan lindisan berikutnya tidak ada faedahnya lagi,

sehingga pipa harus diganti.

Front-front dari drum ketel, baik yang di depan maupun yang di

belakang, merupakan bidang datar yang luas. Front-front datar semacam ini

tidak tahan tekanan uap. Front-front harus ditunjang dengan baut-baut

penunjang yang terbentang antara dua bidang bidang front yang datar yang

berhadapan, yaitu antara front belakang dengan dinding kotak api, atau

antara front depan dengan dinding kotak api lainnya.

Kadang-kadang ada diantara pipa-pipa api yang menghubungkan

antara kotak api dan front belakang digunakan sebagai pipa-pipa penunjang.

Dalam hal ini hubungan pipa dengan front datar dan dinding kotak api

bukannya dilindis melainkan dengan hubungan ulir.

Atap kotak api juga berupa bidang datar yang perlu ditunjang dengan

jembatan penunjang dan baut-baut penunjang.

Sambungan antara silinder api an kotak api yang dikeling, kepala-

kepala kelingan hendaknya di daerah aliran api. Silinder api harus dapat

dibongkar pasang tanpa membuka front belakang.

Untuk menghasilkan produksi uap yang besar, ketel Schots dapat

dibuat kembar, yang kadang-kadang ada yang membuat dengan dua buah

silinder api yang bermuara bersama-sama pada sebuah kotak api saja.

Tekanan maksimal pada ketel Schots yang pernah dibuat ialah 18

kg/cm2 atau 1,8 N/mm2.

Keberatan-keberatan dari ketel Schots ialah karena besarnya drum

ketel, lebih-lebih bila menggunakan tiga buah silinder api. Drum ketel yang

besar memerlukan dinding yang lebih tebal pula, sehingga untuk kapasitas

yang agak besar, ketel Schots ini menjadi mahal.

24

Gambar 2.28 Ketel Schots.

Ketel schots dipilih menjadi ketel yang akan didesain. Karena Ketel

schots memiliki beberapa keunggulan yang cocok untuk industri tahu,

yakni :

Efisiensinya tinggi

Proses pembuatan uap cepat, dikarenakan terdapat tambahan pipa-

pipa api kecil di dalamnya.

Produksi uap dari ketel tipe schots banyak (gemuk).

2.8 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 energy hasil

pembakaran bahan bakar :

Jadi suplai energy :

Qia = Wf x (LHv) kkal/jam.

Atau Qin = (LHv) kkal/kg.b.b.

“Energi berguna” adalah energy yang diserap oleh air sampai terbentuk uap

dalam ketel.

Jadi Qout = Ws (Hsat - Ha) kkal/jam.

Atau Qout = We (Hsat - Ha) kkal/kg.b.b.

We = 𝑊𝑠

𝑊𝑓 kg/kg.b.b.

(disebut kelipatan penguapan).

Hsat = enthalpi uap saturasi kkal/kg.

Ha = enthalpi air pemula.

25

“Kehilangan energy panas” adalah semua kehilangan panas yang

disebabkan oleh kondisi pembakaran dan peralatan ketel. Jadi secara

sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut ini.

Gambar 2.29 Diagram Neraca Kalor pada Ketel.

Pada perancangan neraca kalor digunakan untuk mengetahui jumlah

kalor yang masuk serta kalor yang keluar pada sistem kalor ketel.

2.9 Daya Guna (Efisiensi) Ketel

Daya guna (efisiensi) ketel adalah perbandingan antara konsumsi panas

dengan suplai panas.

Jadi : 𝜂k = 𝑊𝑠 (𝐻𝑠𝑎𝑡)−𝐻𝑎)

𝑊𝑓 (𝐿𝐻𝑣) ………………………(1.23a).

𝜂k = We (𝐻𝑠𝑎𝑡)−𝐻𝑎)

(𝐿𝐻𝑣) …………………....(1.23b).

Sedang persentase kerugian panas adalah perbandingan antara jumlah

kerugian panas dengan jumlah suplai panas.

Jadi : (1 – 𝜂k) = 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑡

𝑊𝑓 (𝐿𝐻𝑣)

Ada dua cara untuk menghitung efisiensi ketel, yaitu dengan cara

metode langsung dan metode tak langsung. Pada metode langsung,

perhitungan efisiensi ketel ialah dengan cara menjumlahkan panas total

dengan fluida kerja dalam ekonomiser, evaporator, pemanas lanjut, dan

26

pemanas ulang dievaluasi dan besaran ini dibagi dengan energy masukan

bahan bakar, jadi :

Efisiensi ketel : 𝜂k = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑡𝑎𝑚𝑏𝑎ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎

𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝜂k = 𝑊𝑠 (ℎ𝑠𝑢𝑝−ℎ1)+𝑊𝑟 (ℎ𝑟2−ℎ𝑟1)

𝑊𝑓 (𝐻𝐻𝑉)

Wf adalah suplai bahan bakar,

Wr adalah jumlah aliran uap dari pemanas ulang,

Ws ialah jumlah aliran uap dari pemanas lanjut,

H1 ialah entalpi air pengisian ketel yang masuk,

Hsup ialah entalpi uap meninggalkan pemanas lanjut,

Hr1 ialah entalpi uap memasuki pemanas ulang, dan

Hr2 ialah entalpi uap meninggalkan pemanas ulang.

Oleh karena sangat sulit untuk mengukur jumlah bahan bakar dan

fluida dengan ketelitian lebih dari sekitar 5 persen, metode langsung

pengevaluasian efisiensi generator uap ini tidak terlalu akurat dan tidak

digunakan dalam praktek.

Kebanyakan perhitungan efisiensi ketel dibuat berdasarkan metode

tak langsung. Pada system ini, dianggap bahwa energy masukan bahan

bakar total dipindahkan ke fluida kerja ataupun hilang dengan berbagai cara

, tetapi kerugian ini dapat diketahui. Secara total ada 6 maacam kerugian

panas pada ketel dan semuanya dihitung dalam bentuk kerugian energy

persatuan berat bahan bakar kkal/jam atau kkal/kg. dengan menggunakan

sistem ini, efisiensi generator uap menjadi :

𝜂k = 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑝𝑒𝑚𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑡𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟−𝑘𝑒𝑟𝑢𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑝𝑒𝑚𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑡𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟

𝜂k =[1 - 𝑘𝑒𝑟𝑢𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

(𝐻𝐻𝑉)𝑏.𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟] (muin,1988 : 223-225).

27

Perhitungan nilai efisiensi ini diperuntukan untuk mendesain ketel,

sehingga kita mendapatkan hasil rancangan yang sesuai dengan efisiensi

yang kita akan desain.

2.10 Nilai Dan Kemampuan Kerja Ketel Daya Kuda Ketel

Di awal abad kedua puluh telah dilakukan usaha untuk

menghubungkan kapasitas ketel dengan kapasitas penggerak mula uap,

yaitu mesin uap torak (reciprocating steam engine). Ini menghasilkan satuan

kapasitas ketel yang disebut daya kuda ketel (boiler horsepower), yaitu satu

daya kuda ketel menghasilkan satu daya kuda energy mekanis yang setara.

Menurut The America Society of Mechanical Engineers (ASME), satu daya

kuda ketel setara dengan energi penguapan 15,653 kg air tiap jam pada suhu

1000C. Selain istilah daya kuda ketel, sebuah istilah lain, disebut nilai ketel

(boiler rating). Ketel dengan nilai 100 persen diharapkan dapat

menghasilkan satu daya kuda ketel untuk setiap 10 sqft (± 1 m2 ), luas BP

evaporatif/tidak termasuk luas BP ekonomiser dan BP pemanas lanjut.

Kedua istilah tersebut, yakni daya kuda ketel dan nilai ketel adalah

harga kadaluarsa karena kebanyakan pembangkit uap modern mempunyai

nilai lebih dari 400 persen. Kadang-kadang dapat ditemui ketel-ketel tua

atau kecil yang dinilai dengan istilah daya kuda ketel.

Kebanyakan pembangkit uap modern dinilai dengan besaran kapasitas

uap (steam capacity) biasanya dengan satuan kkal/jam atau kkal/kg pada

tekanan dan temperature uap tertentu. Sekarang kelihatannya belum ada

usaha untuk menghubungkan kapasitas turbin atau generator dengan

kapasitas ketel. Penilai yang terakhir ini disebut juga spesifikasi katel.

Daya guna ketel yang dapat menunjukkan prestasi kerja ketel atau

generator uap ialah daya guna (efisiensi) (𝜂k). Besaran ini didefinisikan

sebagai angka perbandingan energy yang dipindahkan ke atau diserap oleh

fluida kerja di dalam ketel berkisar antara 70 hingga 90 persen dan

umumnya paling tinggi pada beban ketel yang rendah.

28

Daya kuda ketel dapat ditentukan sebagai berikut ini :

Boiler horse power = 𝑊𝑠 (𝐻𝑠𝑎𝑡−ℎ1)

539,2 𝑥 15,653 hp ………………..(1.24)

Selain yang disebutkan diatas ada lagi penilaian terhadap ketel uap

yang disebut tara penguapan (equivalent eraporation), yaitu jumlah air ketel

yang menguap pada 1000C dan 1 atm normal menjadi uap saturasi kering

pada 1000C dan 1 atm normal.

Ini sering kali disebut sebagai tara penguapan dari dan pada 1000C, dan

diberi notasi E.

Jadi : E = 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑝𝑎𝑛

539,2

Jumlah panas penguapan adalah jumlah panas yang diperlukan untuk

membentuk uap dari air pengisi ketel (feed water).

Jadi : E = 𝑊𝑠 (𝐻𝑠𝑎𝑡−ℎ1)

539,2 (kg) ………………………………..(1.25)

Harga (𝐻𝑠𝑎𝑡−ℎ1)

539,2 dikenal sebagai factor evaporasi (Fe), jadi :

Fe = (𝐻𝑠𝑎𝑡−ℎ1)

539,2 kg …………………………………….(1.26)

Jadi : E = Ws x Fe kg ……………………………………..(1.27)

Disamping itu ada cara lain untuk menilai ketel yaitu dengan

menentukan harga kelipatan penguapan standar, yaitu perbandingan antara

jumlah panas untuk membentuk uap dengan enthalpi uap saturasi pada suhu

1000C dan tekanan 1 atm std.

Jadi : (We)std = 𝑊𝑠 (𝐻𝑠𝑎𝑡−ℎ1)

639,2 …………………………………(1.28).

Angka 639,2 adalah enthalpi uap saturasi pada suhu 1000C dan tekan 1 atm

abs (std).

Sedangkan perbandingan antara produksi uap (kapasitas ketel) dengan

suplai bahan bakar disebut kelipatan penguapan (We), jadi :

29

(We)std = 𝑊𝑠

𝑊𝑓 kg/kg ………………………………………..(1.29).

(muin,1988 : 225-227).

Besaran ini didefinisikan sebagai angka perbandingan energy yang

dipindahkan ke atau diserap oleh fluida kerja di dalam ketel. Sehingga di

dapatkan ukuran kerja ketel yang akan kita desain, atau disebut dengan daya

ketel.

2.11 Perhitungan Mengenai Kekuatan Dinding Ketel

2.11.1 Drum ketel atau tangki ketel

Drum ketel atau tangki ketel, diperhitungkan terhadap dua kemungkinan

pecah yaitu :

2.11.1.1 Tebal drum dihitung berdasarkan kemungkinan belah :

D = diameter dalam drum ketel.

t= tebal drum ketel dalam meter.

Ϭt = tegangan tarik yang sebenarnya di dalam dinding drum ketel dalam

newton/meter persegi.

Ϭ’t = tegangan tarik yang di izinkan (newton/m2).

L = panjang drum sebelah dalam (meter).

p= tekanan di dalam drum ketel (newton/m2).

Besarnya Gaya untuk membelah drum = P Newton =

P = L x D x p (newton)

Gaya sebesar P Newton tersebut ditahan oleh dinding drum ketel yang luas

irisannya F (m2).

F = [2 x L x t + 2 x t x (D + 2.t)] (m2)

= (2.L.t + 2.t.D + 4.t2) (m2)

Dengan tegangan di dalam dinding drum sebesar N/m2 sehingga :

30

P = L.D.p = F. Ϭt = (2.L.t + 2.t.D + 4.t2) . Ϭt

Bila 4.t2 diabaikan, karena dianggap kecil terhadap 2.t.D ; maka didapat :

P = (2.L.t + 2.t.D) x Ϭt atau t = 𝐿 𝑥 𝐷 𝑥 𝑝

2 𝑥 Ϭt x (L x D) (meter)

Bila pembilang dan penyebut dibagi dengan L menjadi

t = 𝐷 𝑥 𝑝

2 𝑥 Ϭt x (1 xD

L ) (meter)

agar drum tidak belah, maka haruslah :

tb ≥ 𝐷 𝑥 𝑝

2 𝑥 Ϭ′t x (1 xD

L ) (meter)

2.11.1.2 Drum Ketel Diperhitungkan Terhadap Kemungkinan Putus

Gaya yang akan memutuskan drum = K Newton =

K = ∏

4 x D2 x p (Newton)

Gaya tersebut akan ditaham oleh dinding dengan luas

F = ∏

4 x (D + 2t)2 – D2 (m2)

= ∏

4 x (D2 + 4.D.t + 4t)2 – D2 (m2)

= ∏

4 x ( 4.D.t + 4t2) (m2)

Bila harga 4t2 diabaikan karena dianggap kecil terhadap 4.D.t., maka

tegangan Ϭt yang timbul.

Ϭt = 𝐾

𝐹 =

∏

4 x D2 x p

∏

4 x 4.D.t

Ϭt = 𝐷 𝑥 𝑝

4.𝑡 (Newton/m2)

Atau 𝑡 = 𝐷 𝑥 𝑝

4 𝑥 Ϭt (meter)

Agar drum tidak putus, maka :

31

𝑡 ≥ 𝐷 𝑥 𝑝

4 𝑥 Ϭ′t (meter)

Karena untuk D/L < 1 maka berlaku

2 x (1 + D/L) < 4 atau 1

2 𝑥 (1+𝐷

𝐿) >

1

4

Sehingga :

𝐷 𝑥 𝑝

2 𝑥 (1+𝐷

𝐿) 𝑥 Ϭ′t

> 𝐷 𝑥 𝑝

4 .Ϭ′t atau berarti :

tb > tp

32

Jadi : Tebal drum bila dihitung berdasarkan kemungkinan belah (= tb) adalah

lebih besar atau lebih tebal dibanding dengan bila dihitung

berdasarkan kemungkinan putus (=tp).

Dengan demikian, untuk perhitungan-perhitungan tebal drum ketel,

selanjutnya hanya dihitung terhadap kemungkinan belah karena lebih aman

atau lebih tebal.

Adapun harga-harga Ϭt tidak hanya tergantung terhadap macamnya

bahan drum ketel, namun juga tergantung dari temperatur kerja dinding

drum.

Mengingat bahwa pada umumnya drum ketel banyak dilubangi, antara

lain untuk sambungan pipa-pipa dan tabung-tabung, demikian pula pada

ujung-ujung drum sering pula terdapat lubang orang atau man-hole, maka

dengan demikian kekuatan dinding drum menjadi berkurang, sehingga

dengan demikian digunakan rumus-rumus pengalaman untuk menentukan

tebalnya dinding drum sebagai berikut :

Di = diameter sebelah dalam drum ketel dalam meter.

D0 = diameter sebelah luar drum ketel dalam meter.

Dengan D0 ≤ 1,2 Di

v = (s – D) / s = factor pelemahan.

s = jarak antara masing-masing garis tengah lubang pipa-pipa atau

tabung-tabung dalam meter.

k = factor keamanan,

untuk baja tuang k = 2,0

untuk baja biasa k = 1,5

j = Faktor Konversi, menjadi :

j = 100 bila p dan Ϭ’t dinyatakan dalam kg/mm2

j = 1 bila p dan Ϭ’t dinyatakan dalam newton/m2

33

maka harga untuk t didapat sebagai berikut :

t = 𝐷𝑖 𝑥 𝑝

(2.𝑗.𝑣.Ϭ’t)

𝑘−𝑝

(meter)

2.11.1.3 Tebal ujung drum atau tebal front (=tu) :

2.11.2 Tebal pipa-pipa penguap dan pipa-pipa pemanas lanjut :

Bila d0 = diameter luar pipa, kurang dari 0,20 meter

t = 𝐷0 𝑥 𝑝

(2.𝑗.𝑣.Ϭ’t)

𝑘+𝑝

(meter)

dengan v ≤ 0,9

k = 1,5

2.11.3 Header

2.11.3.1. Header dengan irisan empat persegi panjang :

Dengan v = ( s – d ) / s

k untuk baja tuang = 1,8

k untuk baja biasa = 1,3 sampai 1,4

34

2.11.3.2. header dengan irisan bundar dan bujur sangkar :

Bila ujungnya berlubang :

Bila ujungnya tidak berlubang :

35

2.11.4 Sambungan-sambungan keling pada drum ketel :

Dalam merencanakan tebalnya dinding drum ketel, dari rumus-rumus

perhitungan yang terdahulu, perlu diperhitungkan prosentase kekuatan

dinding ɸ1 seperti tersebut dalam table.

2.11.5 Sambungan-sambungan las pada ketel uap :

36

(Djokosetyardjo, 1932 : 173-181)

Perhitungan tebal dinding ketel diperuntukan untuk pendesainan. Dalam

proses pendesaianan diperlukan ukuran-ukuran kritis material sebelum mencapai

titik kritis. Titik kritis tersebut sangat berbahaya jika tidak di ketahui yang

kemudian akan menyebabkan ledakan pada ketel. Perhitungan tebal ini berguna

untuk mendesain tebal ideal yang cocok untuk desain yang akan kita buat, sehingga

dapat menghindarkan dari kecelakan-kecelakaan yang disebabkan oleh meledaknya

ketel.