karakteristik ketel pipa api kapasitas uap 6000 kg / jam berbahan

17
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 / cm 2 , 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. Pendahuluan Seiring dengan berkembangnya zaman yang bersamaan dengan kemajuan teknologi dan industri proses produksi, dimana perkembangan itu nampak dengan adanya faktor penunjang didalam produktifitas 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 demikian, diharapkan mahasiswa dapat menerapkan dan membandingkan teori yang didapat pada bangku kuliah dengan praktiknya. II Landasan Teori 2.1 Definisi Ketel Uap 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] .

Upload: lyquynh

Post on 01-Jan-2017

252 views

Category:

Documents


27 download

TRANSCRIPT

Page 1: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

Karakteristik Ketel Pipa Api

Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan Bakar Solardi 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/ m2. Jam, Faktor

penguapan 14,375 kg uap / kg bahan bakar dan Efisiensi sebesar 83 %.

I. Pendahuluan

Seiring dengan berkembangnya

zaman yang bersamaan dengan kemajuan

teknologi dan industri proses produksi,

dimana perkembangan itu nampak dengan

adanya faktor penunjang didalam

produktifitas 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 demikian, diharapkan

mahasiswa dapat menerapkan dan

membandingkan teori yang didapat pada

bangku kuliah dengan praktiknya.

II Landasan Teori

2.1 Definisi Ketel Uap

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].

Page 2: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

2.2 Proses Terbentuknya Uap

Bila diatas sekeping logam

terdapat beberapa tetes air, dan kita

perhatikan molekul-molekul air tersebut,

temperatur air pada saat itu ialah T0oK

atau oC. Molekul-molekul air tersebut

bergerak bebas kesana-kemari dalam

lingkungannya (lingkungan air) dengan

kecepatan gerak V0 meter/detik. Molekul-

molekul tersebut dalam gerakannya belum

dapat meninggalkan lingkungannya karena

adanya gaya tarik-menarik antara molekul-

molekul air itu sendiri. Apabila di bawah

kepingan logam tersebut dipasang api,

batang lilin, korek api dan sebagainya

sedemikian sehingga api tersebut

memanasi kepingan logam yang diatasnya

terdapat beberapa tetes air, maka

temperatur air tersebut akan naik menjadi

T1oK atau oC, dan ternyata kecepatan

gerak dari molekul-molekul air tersebut

akan bertambah menjadi V1 meter/detik,

namun belum mampu melepaskan diri dari

lingkungannya.

Apabila kemudian api yang

dipasang dibawah kepingan logam

tersebut ditambah besarnya (menjadi dua

batang lilin, dsb) maka temperatur air

diatas kepingan logam tersebut akan

bertambah menjadi T2oK atau oC,

sedangkan kecepatan gerak dari molekul-

molekul bertambah menjadi V2 meter/detik,

namun masih belum mampu melepaskan

diri dari lingkungannya. Dan apabila api

yang dipasang dibawah kepingan logam

tersebut senantiasa ditambah besarnya,

sedemikian hingga temperatur air diatas

kepingan logam tersebut mencapai TdoK

atau oC, sedangkan kecepatan gerak

molekul-molekul air tersebut telah

mencapai Vd meter/detik, sehingga

molekul-molekul air tersebut mampu

melepaskan diri dari lingkungannya, dan

mampu melepaskan diri dari gaya tarik-

menarik antara molekul-molekul air

tersebut. Molekul-molekul air yang

melepaskan diri dari lingkungannya

tersebut akan berubah menjadi molekul

uap yang kecepatan gerakannya melebihi

kecepatan gerak molekul-molekul air

yang semula.

Proses yang demikian ini disebut

“proses penguapan” atau “proses

pembentukan uap” [1].

Gambar 2.1. Proses Terbentuknya Uap [1]

2.3 Klasifikasi Ketel Uap

secara umum ketel dibedakan

dalam dua golongan utama yaitu ketel

pipa api (Fire Tube Boiler) dan ketel pipa

air (Water Tube Boiler) [3]. Untuk

membedakan secara terpeinci, ketel

dapat digolongkan menurut peninjauan

dari berbagai segi terhadap ketel tersebut

yakni :

2.3.1 Menurut Isi Pipanya

a) Ketel Pipa Api (Fire Tube Boiler)[3]

Pada ketel jenis ini nyala api dan gas

panas diperoleh dari hasil pembakaran

bahan bakar untuk men-transfer

Page 3: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

panasnya. Gas panas dilewatkan melalui

pipa-pipa disekitar dinding luar yang

dikelilingi oleh air atau uap yang telah

terbentuk.

Gambar 2.2 Bagan Ketel Pipa Api [3]

b) Ketel Pipa Air (Water Tube Boiler) [3]

Ketel yang termasuk kedalam pipa ini

adalah ketel yang peredara airnya terjadi

didalam pipa-pipa yang dikelilingi oleh

nyala api dan gas panas dari luar susunan

pipa. Kontruksi pipa-pipa yang dipasang

didalam ketel dapat berbentuk lurus

(Straight Tube) dan juga dapat berbentuk

pengkolan (Bend Tube) tergantung dari

jenis ketelnya. Pipa-pipa yang lurus

dipasang secara paralel didalam ketel

dihubungkan dengan Header, kemudian

Header tersebut dihubungkan dengan

bejana uap yang dipasang secara

horizontal diatas susunan pipa, lihat

gambar (2.3). Susunan pipa diantara

kedua Header mempunyai kecondongan

tertentu (sekitar 150 dari garis datar) hal ini

dimaksudkan agar dapat menimbulkan

peredaran air dalam ketel. Contoh ketel

yang termasuk kedalam golongan ini

adalah Ketel Benson, Ketel Babcock and

Wilcox, Ketel Lamont, Ketel Yarrow, dan

Ketel Loeffer.

Gambar 2.3 Bagan Ketel Pipa Air [3]

2.3.2 Menurut Posisi Dapur

Menurut posisi dapurnya, ketel

dapat digolongkan sebagai [4] :

a) Ketel Pengapian Dalam (Internal

Fired Boiler)

b) Ketel Pengapian Luar (External

Fired Boiler)

Pada ketel jenis pengapian dalam, dapur

(furnace) tempat pengapian ditempatkan

didalam shell. Kebanyakan dari ketel pipa

api memiliki pengapian dalam (Internal

Fired Boiler) dimana pembakaran bahan

bakar dilakukan didalam shell itu

sendiri.dan hasil dari pembakarannya

diterima langsung dari shell tersebut.

2.3.3 Menurut Penggunaan

a) Utillity Boiler

Memproduksi uap untuk

pembangkit tenaga listrik. Kapasitas

besar, tekanan dan temperatur uap tinggi,

efisiensi tinggi, dapur dinding pipa air

dengan burner, bila dengan tekanan lebih

besar dari 14 Mpa biasanya dengan

reheater.

Page 4: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

b) Industrial Boiler

Memproduksi uap untuk

pemanasan dan proses. Biasanya memiliki

kapasitas yang kecil, tekanan dan

temperatur uap lebih rendah, dapur

dengan burner, stoker atau fluidized bed,

tanpa reheater.

c) Marine Boiler

Memproduksi uap sebagai sumber

penggerak kapal. Bentuknya kompak,

bobot lebih ringan, biasanya menggunakan

bahan bakar minyak, tanpa reheater.

2.3.4 Berdasarkan Tekanan Kerja

a) Boiler Bertekanan Rendah dan

Sedang (< 10 Mpa)

Digunakan sebagai industrial

Boiler, sirkulasi natural, beberapa

diantaranya dengan Boiler bank, dapur

dengan burner atau stoker, tanpa reheater.

b) Boiler Tekanan Tinggi (10-14 Mpa)

Digunakan sebagai utillity boiler,

biasanya dengan reheater hanya bila

tekanannya > 14 Mpa, dan menggunakan

sirkulasi natural.

c) Boiler Dengan Tekanan Sangat

Tinggi (> 17 Mpa)

Digunakan sebagai utillity boiler,

sirkulasi natura atau paksa, tergantung dari

pada engineering-economical aproach,

dengan reheater ; harus dipertimbangkan

pencegahan terhadap film boilling dan

korosi karena temperatur tinggi.

d) Boiler Tekanan Super Kritis

(> 22,1 Mpa)

Digunakan sebagai utillity boiler,

kapasitas besar, sirkulasi once-through

atau kombinasi, dengan reheater ; harus

dipertimbangkan pencegahan terhadap

pseudo-film boilling dan korosi karena

temperatur tinggi.

2.4 Bagian-bagian Ketel Uap

a) Pemanas Lanjut Uap

(Steam Superheater)

Pemanas Lanjut Uap (Steam

Superheater) ialah alat untuk

memanaskan uap kenyang menjadi uap

yang dipanaskan lanjut. Uap

yangdipanaskan lanjut digunakan intuk

melakukan kerja dengan jalan ekspansi

didalam turbin atau mesin uap tidak akan

segera mengembun, sehingga

mengurangi kemungkinan timbulnya

bahaya yang disebabkan timbulnya

pukulan balik (Back Stroke) yang

diakibatkan mengembunnya uap belum

pada waktunya sehinnga menimbulkan

vakum ditempat yang tidak semestinya

didaerah ekspansi.

b) Ekonomiser

Gas asap setelah meninggalkan

superheater temperaturnya masih sangat

tinggi sekitar 500 oC hingga 800 oC,

sehingga akan menimbulkan kerugian

panas yang besar apabila gas asap

tersebut langsung dibuang melalui

cerobong. Gas asap yang masih panas

ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi

air terlebih dahulu sebelum dimasukan

kedalam drum ketel, sehingga air telah

dalam keadaan panas, sekitar 30 hingga

50 oC dibawah temperatur mendidihnya.

Page 5: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

Air yang telah dalam keadaan panas pada

saat masuk kedalam drum ketel membawa

keuntungan karena ditempat air masuk

kedalam drum, dinding tidak mengerut

sehingga drum ketel dapat lebih awet

dengan demikian biaya perawatannya

akan menjadi lebih murah. Keuntungan

yang kedua adalah dengan memanfaatkan

gas asap yang masih mempunyai

temperatur yang tinggi tersebut untuk

memanasi air sebelum masuk kedalam

drum ketel, berarti akan memperbesar

efisiensi dari ketel uap, karena dapat

memperkecil kerugian panas yang diderita

oleh ketel.

c) Pemanas Udara (Air Preheater)

Gas asap keluar dari memanasi

ekonomiser masih bertemperatur 400

hingga 700 oC sehingga sayang bila

dibuang langsung lewat ceobong, karena

panas yang terkandung dalam gas asap

tersebut masih dapat dimanfaatkan lagi

untuk memanaskan udara sebelum

dimasukan kedalam tungku, sehigga

efisiensi thermis ketel uap masih dapat

dinaikan lagi. Memanaskan udara

pembakaran sebelum dimasukan kedalam

tungku berarti mengurangi kebutuhan

panas untuk menaikan temperatur udara

didalam tungku, sehingga api didalam

tungku tidak banyak mengalami penurunan

temperatur, sehingga dapat mengurangi

kemungkinan api didalam tungku yang

tiba-tiba padam dengan sendirinya.

Manfaat lain dengan memanaskan udara

pembakar terlebih dahulu sebelum masuk

kedalam tungku adalah udara yang telah

dalam keadaan panas masuk kedalam

tungku, membantu untuk mempercepat

penguapan air yang terkandung dalam

bahan bakar sehingga akan

mempercepat berlangsungnya

pembakaran bahan bakar didalam

tungku.

d) Cerobong Asap

Cerobong digunakan untuk

mengalirkan gas asap keluar dari ketel

uap atau dengan kata lain digunakan

untuk membuang gas asap setinggi

mungkin sehingga tidak menggangu

lingkungan disekitar.

2.5 Bahan Bakar

Segala sesuatu zat (padat, cair, gas)

yang digunakan sebagai bahan yang

dibakar pada berbagai cara atau metode

proses pembakaran disebut bahan bakar.

Menurut klasifikasinya bahan bakar

terbagi dalam tiga kelompok, yaitu :

bahan bakar padat, bahan bakar cair dan

bahan bakar gas.

2.5.1 Bahan Bakar Padat

Bahan bakar padat yang terdapat dibumi

kita ini berasal dari zat-zat organik. Bahan

bakar padat mengandung unsur-unsur

antara lain : Zat arang atau Karbon (C),

zat lemas atau Nitrogen (N), Hidrogen

(H), Belerang (S), zat asam atau Oksigen

(O) Abu dan Air yang kesemuanya itu

terikat dalam satu persenyawaan kimia.

2.5.2 Bahan Bakar Cair

Bahan bakar cair berasal dari

minyak bumi. Minyak bumi didapat dari

dalam tanah dengan jalan mengebornya

pada ladang-ladang minyak, dan

Page 6: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

memompanya sampai ke atas permukaan

bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut

menjadi berbagai jenis minyak bakar.

2.5.3 Bahan Bakar Gas

Didalam tanah banyak terkandung

: Gas Bumi (Petrol Gas) atau sering

disebut pula dengan gas alam, yang timbul

pada saat proses pembentukan minyak

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 pada lepas pantai

terhadap lokasi-lokasi yang diduga

terdapat kandungan gas alam.

2.6 Pembakaran

Pembakaran ialah persenyawaan

kimia antara bahan bakar dengan oksigen,

dan untuk melakukan persenyawaan

tersebut diperlukan suhu. Pada peristiwa

pembakaran, proses yang terjadi adalah

oksidasi dengan reaksi.

C + O2 = CO2 (2.1)

2 H + O2 = 2H2O (2.2)

S + O2 = SO2 (2.3)

Dikatakan pembakaran sempurna apabila

campuran bahan bakar dan oksigen (dari

udara) mempunyai perbandingan yang

tepat, sehingga tidak diperoleh sisa.

Apabila oksigen terlalui banyak maka

dikatakan campuran kurus, dan bila bahan

bakarnya terlalu banyak (oksigen tidak

cukup) maka dikatakan dengan campuran

kaya (rich). Sehingga dapat

mengakibatkan tidak sempurnanya

pembakaran. Bila gas asap yang keluar

dari cerobong berasap hitam, hal ini

menunjukan tidak cukup udara dan bila

gas asap berwarna putih menunjukan

terlalu banyaknya udara. Sedangkan

untuk pembakaran yang sempurna gas

asap berwarna cokelat.

Untuk mengetahui jumlah udara

pembakar dapat dilihat pada persamaan

sebagai berikut :

Karbon (C) terbakar sempurna

menjadi CO2, menurut Persamaan [1]

C + O2 = CO2 (2.4)

12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2

1 kg C +12

32kg O2 =

12

44kg CO2

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 (2.5)

4 kg H + 32 kg O = 2 x 18 kg H2O

1 kg H +4

32kg O =

4

182 xkg H2O

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

1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2

Disamping itu diketehui pula 1 kg udara

mengandung 0,231 kg O2, sehingga

kebutuhan udara dapat dihitung [1]

Page 7: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

2.6.1 Pembakaran Bahan Bakar Padat

Pada pembakaran bahan bakar

padat mula-mula akan membentuk gas

atau yang biasa disebut mengegas (Ont

Gassing), pada waktu berlangsungnya

distilasi kering kemudian mengakibatkan

terurainya gas-gas tersebut lebih lanjut

menjadi CO2 dan H2 (Water Gas) dan akan

terbakar [1]. Selanjutnya arang atau kokas

yang tertinggal (yang semuanya terdiri dari

karbon) akan menguap atau sublimasi

terlebih dahulu, kemudian akan terbakar

menjadi CO2 apabila oksigen mencukupi.

Udara pembakar yang diperbolehkan untuk

mengegaskan disebut udara primer,

sedangkan udara untuk membakar CO

menjadi CO2 disebut dengan udara

skunder.

2.6.2 Pembakaran Bahan Bakar Cair

Sebelum pembakaran yang

sebenarnya berlangsung maka terlebih

dahulu bahan bakar cair tersebut diuapkan

dan diuraikan menjadi gas-gas [1]. Bahan

bakar cair pada umumnya, terdiri dari

karbon (85-87)% dan hidrogen (12-15)%

ditambah sedikit O2, N2, dan S2. dalam hal

ini karena kandungan hidrogen yang cukup

tinggi, maka pada saat penguraian dengan

temperatur yang cukup tinggi, karbon dan

hidrogen lama masih dalam keadaan

terikat. Dengan demikian pada

pembakaran bahan bakar cair dapat

dicapai bentuk bunga api yang hampir-

hampir sempurna seperti halnya pada

pembakaran bahan bakar gas.

2.6.3 Pembakaran Bahan Bakar Gas

Pembakaran bahan bakar yang

berupa gas yang hampir keseluruhannya

terdiri dari karbon dan hidrogen dimulai

dengan menguraikan gas-gas, hingga

menghasilkan CO dan H2 apabila oksigen

mencukupi. Penguraian gas-gas ini

berlangsung didalam kerucut bunga api

yang paling dalam, pada temperatur yang

lebih rendah dari pada temperatur bila

pembakaran telah berlangsung

sepenuhnya. Pembakaran CO dan H2

yang terbentuk dilakukan oleh oksigen

dari udara skunder yang mengalir

disekeliling bunga api, akan berlangsung

pada temperatur yang tinggi, pada

lapisan yang tipis yang tidak bercahaya

dari bunga api yang berlangsung sangat

cepat, bila oksigen mencukupinya.

2.7 Perpindahan Panas Ketel Uap

Panas yang dihasilkan karena

pembakaran bahan bakar dan udara,

yang berupa api (yang menyala) dan gas

asap (yang tidak menyala) dipindahkan

kepada air, uap dan udara, melalui

bidang yang dipanaskan (heating

surface), pada suatu instalasi ketel uap

dengan tiga cara, yaitu antara lain :

a) Perpindahan Panas Secara

Pancaran (Radiasi)

Perpindahan panas secara

pancaran atau Radiasi adalah

perpindahan panas antara suatu benda

terhadap benda lain dengan jalan melalui

gelombang-gelombang elektromagnetic

tanpa tergantung kepada ada atau

Page 8: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

tidaknya media maupun zat diantara benda

yang menerima pancaran panas

tersebut. Panas radiasi adalah

panas yang dipancarkan dari suatu media

panas ke media yang dingin dan besarnya

tergantung pada perbedaan

temperatur, dan warna media yang

menerima panas tersebut. Penyerapan

panas pada radiasi bertambah dengan

naiknya temperatur dapur, hal ini

bergantung dari beberapa faktor namun

yang paling terutama adalah luas

permukaan pipa (tube) yang terkena

pancaran panas.

Adapun banyaknya panas yang diterima

secara pancaran atau Qp berdasarkan dari

rumus Stephan-Boltzman adalah sebesar :

Qp = Cz . F . [(Tapi : 100)4 – (Tbenda : 100)4 ]

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

Watt [1]

F : Luas bidang yang dipanasi,

dinyatakan dalam m3.

T: Temperatur dalam Kelvin.

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

q Joule. Pada saat molekul fluida

menyentuh dinding ketel maka panasnya

dibagikan sebagian, yaitu q1 Joule pada

dinding ketel, selebihnya q2 = q - q1 Joule

dibawanya pergi. Bila gerakan-gerakan

molekul yang melayang-layang tersebut

disebabkan kerena perbedaan temperatur

didalam fluida itu sendiri, maka

perpindahan panasnya disebut dengan

konveksi bebas (Free Convection) atau

konveksi alamiah (Natural Convection).

Apabila gerakan-gerakan dari molekul

tersebut sebagai akibat dari kekuatan

mekanis (karena dipompa atau dihembus

dengan fan) maka perpindahan panasnya

disebut dengan konveksi paksa (Forced

Convection).

Gambar 2.4 Perpindahan Panas Dengan

Cara Aliran (Konveksi) [1]

Jumlah panas yang diserahkan secara

aliran (Konveksi) adalah:

Qk = α . F . (Tapi - Tdinding) kJ/Jam [1] (2.8)

Dimana,

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

Page 9: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

Sedangkan bila α dinyatakan dalam Watt /

m2. K, maka Qk dinyatakan dalam

Watt.

F : Luas bidang yang dipanasi,

diyatakan dalam m3.

T: Temperatur dalam Kelvin.

c) Perpindahan Panas Secara

Rambatan (Konduksi)

Perpindahan panas secara

rambatan atau konduksi adalah

perpindahan panas dari suatu bagian

benda padat ke bagian benda lain dari

benda padat yang sama, atau dari benda

padat yang satu ke benda padat yang lain

karena terjadinya persinggungan fisik

(menempel), tanpa terjadinya perpindahan

molekul-molekul dari benda padat itu

sendiri.

Jumlah panas yang dirambatkan (QR)

melalui dinding ketel adalah sebesar :

QR = xFxS

(Td1 – Td2)

kJ / Jam[1] (2.9)

Dimana,

λ : Angka peranbatan panas didalam

dinding ketel dinyatakan dalam kJ/m x

Jam x K

Bila λ dinyatakan dalam kJ/m. Jam

.K, maka QR dinyatakan dalam kJ/Jam

Apabila λ dinyatakan dalam Watt /

m2 x K, maka QR dinyatakan dalam

Watt.

S : Tebal dinding ketel dinyatakan

dalam meter (m)

F : Luas dinding ketel yang

merambatkan panas.

Td1 : Temperatur dinding ketel yang

berbatasan dengan api (ºK)

Td2 : Temperatur dinding ketel yang

berbatasan denga air, uap atau udara

(ºK).

2.8 Nilai Pembakaran

Nilai pembakaran biasanya

dinyatakan dalam istilah nilai pembakaran

tinggi atau Highest Heating Value (HHV)

dan nilai pembakaran rendah atau Lowest

Heating Value (LHV).

a) Nilai pembakaran tinggi atau

Highest Heating Value (HHV)

Jumlah panas yang diperoleh dari

hasil pembakaran sempurna disetiap 1 kg

bahan bakar kemudian hasil dari

pembakarannya didinginkan sampai pada

temperatur kamar, maka jumlah panas

yang dihasilkan disebut dengan nilai

kalori tinggi. Dalam hal ini adalah uap air

yang terbentuk dari hasil

pengembunannya turut dihitung serta

dinilai sebagai panas pembakaran yang

terbentuk.

b) Nilai pembakaran rendah atau

Lowest Heating Value (LHV)

Sedangkan nilai pembakaran

rendah atau Lowest Heating Value, (LHV)

uap air yang terbentuk dari hasil

pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih

dahulu, sehingg panas pengembunannya

tidak ikut serta untuk diperhitungkan

sebagai panas pembakaran bahan bakar

tersebut.

Page 10: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

Untuk pembakaran cair dan gas dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan

HHV = 33915 C + 144033 (H – O/8) +

10468 S (kJ/kg) [1] (2.10)

LHV = 33915 C + 121423 (H – O/8 ) +

10468 S – 2512 (W +9xO/8) (kJ/kg) (2.11)

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

(Loos Basuki Boiler)

Ketel Uap : Loos Basuki Boiler

Tahun Pembuatan : 1993

Supllier : PT. Reka Boiler Utama.

Kapasitas Uap : 6000 kg / jam

Tekanan Operasi : 7 kg / cm2

Tekanan Maksimal : 10 kg / cm2

Bahan Bakar : Solar

Panjang Ketel Uap : 3250 mm

Diameter Drum Dalam Ketel :

2050 mm

Panjang Silinder Api : 2700 mm

Diameter Silinder Api : 1000 mm

Jumlah Pipa : 186 Pipa Api

Tebal Badan Ketel Uap :14 mm

Tebal Plat Tungku : 16 mm

Diameter Luar Pipa Api : 68 mm

Tebal Pipa Api :3 mm

Luas Total Bidang Pemanas:

24,9 m2

Panjang Ketel Uap Total :

2145 mm

Tinggi Ketel Uap Keseluruhan:

3205 mm.

3.2 Kebutuhan Panas, Panas

Penguapan, dan Pengertian Entalpi

Gambar 3.1 Sebuah Bejana yang

Didalamnya Terdapat 1 kg air dan uap [1]

Didalam gambar tersebut sebuah bejana

berisi 1 kg air dan uap, kemudian

dipanaskan. Tekanan air dan uap

tersebut konstan sebesar (P, kg/cm2) dan

diberi pemberat (G) kg diatas torak (P).

Apabila tekanan uap dalam bejana naik

melebihi (P, kg/cm2), maka uap akan

keluar melalui lubang E. Uap yang

dihasilkan adalah uap jenuh karena uap

dalam keadaan seimbang dengan air

sehingga jumlah panas yang dibutuhkan

sebanyak Q1 kJ/kg air dan uap.

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].

Page 11: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

Panas penguapan adalah jumlah panas

yang dinyatakan dalam (kJ/kg) yang

dibutuhkan untuk memanaskan 1 kg air

menjadi uap pada temperatur mendidihnya

(TdºC) dan bertekanan (P, kg/cm2). Jika air

dalam bejana dipanaskan terus-menerus

maka, uap dalam bejana akan naik

temperaturnya dan uap jenuh tersebut

berubah menjadi uap panas lanjut.

Jumlah panas (Qu1) yang

dibutuhkan untuk mengubah 1 kg

uap jenuh pada tekanan (P1)

kg/cm2 dan temperatur (Td1) ºC,

menjadi uap panas lanjut dengan

tekanan (P1) kg/cm2 dan

temperatur (Tu1) ºC, dapat dihitung

dari persamaan sebagai berikut [1] :

Qu1 = 1 x Cp x (Tu1 – Td1)

kJ / kg [1] (3.2)

Dimana ; Cp = Panas jenis uap

pada tekanan konstan (P1, kJ/kg).

Tu1 = Temperatur uap panas lanjut

(ºC)

Td1 = Temperatur air mendidih (ºC)

pada tekanan (P1, kg/cm2).

Dengan demikian seluruh jumlah

panas untuk :

Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC

dengan temperatur (Tdk) dan

tekanan, (P) kg/cm2adalah sebesar

Wd (kJ/kg). Dimana, Wd = Entalpi

air mendidih (kJ/kg), yaitu

banyaknya panas yang dibutuhkan

oleh 1 kg air pada temperatur 0 ºC

untuk dijadikan air mendidih

pada temperatur (Tdk) dan tekanan

(P) kg/cm2.

Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC

menjadi uap jenuh pada

temperatur Tdk dan tekanan, P

(kg/cm2) kg/cm2 sebesar I” kJ/kg

menjadi :

I” = Wd + r [1] (3.3)

Dimana, I” =

Entalpi uap jenuh (kJ/kg).

Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC

menjadi uap panas lanjut pada

temperatur Tu (ºC) dan tekanan P

(kg/cm2) sebesar I’ (kJ/kg) adalah

I’ = I” – Cp (Tu - Td) = Wd + r + Cp

(Tu - Td)[1] (3.4)

Dimana, I’ =

Entalpi uap panas lanjut (kJ/kg),

yaitu banyaknya panas yang

dibutuhkan untuk mengubah 1 kg

air pada temperatur 0 ºC untuk

menjadi uap panas lanjut pada

temperatur (Tu) ºC dan tekanan

(P) kg/cm2.

Jumlah Kebutuhan Panas (Q)

Banyaknya panas yang

dibutuhkan untuk pemanasan

pada ketel uap, biasanya

dinyatakan dalam satuan (kJ/kg),

biasanyamenggunakan

persamaan sebagai berikut :

Q = S x (∆IK + ∆IR)

(kJ/Jam) [2] (3.5)

Dimana,

S = Produksi uap

P = Tekanan kerja ketel uap

tu = Temperatur uap keluar ketel

ta = Temperatur air masuk

ekonomiser.

Page 12: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

∆IK = Entalpi uap keluar ketel – Entalpi air

masuk Ekonomiser

∆IR = Entalpi uap keluar reheater – Entalpi

uap masuk reheater.

Beban Ketel Spesifik (Le)

Merupakan perbandingan antara

uap yang dihasilkan oleh ketel uap

terhadap luas bidang yang dipanaskan.

Dapat dilihat dari persamaan :

Le =F

S(kg uap / m2 Jam) [2] (3.6)

Dimana ; F = 24,9 m2

Luas Bidang yang Dipanaskan (F)

Adalah luas bidang ketel uap yang

dipanaskan api baik kepada air atau uap.

Dapat digunakan persamaan sebagai

berikut :

F =rataratatxK

Q

(m2) [2] (3.7)

Dimana, ∆t rata-rata = Selisih temperatur rata-

rata api atau gas asap terhadap air

maupun uap

K = Angka perpindahan panas

(kJ/m2 Jam ºC)

Faktor Penguapan (Ev)

Adalah perbandingan antara

jumlah uap yang dihasilkan terhadap

pemakaian bahan bakar.

Dinyatakan dalam persamaan :

Ev =Be

S

(kg uap / kg bahan bakar)[2] (3.8)

Efisiensi Ketel Uap (ηk)

Pada instalasi ketel uap terdiri

dalam (entalpi) dari uap air yang

dihasilkan pada mulanya berasal

dari energi panas bahan bakar. Secara

sederhana efisiensi dapat dijelaskan

sebagai perbandingan energi keluaran

dengan energi masukan (input – output).

Energi masukan merupakan energi awal

pada ketel uap berasal dari energi bahan

bakar. Sedangkan energi keluaran pada

ketel uap dinyatakan dengan banyaknya

energi dalam bentuk panas yang

terkandung oleh uap air didalam ketel

uap, maka didapat rumus sebagai :

ηk = %100)21(

xLHV

hh (3.9)

3.3 Instalasi Tenaga Uap

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

dihasilkan sebesar 6000 kg / Jam dengan

tekanan operasi 7 kg / cm2 pada

temperatur 180 oC menuju mesin Dying.

Uap bekas dari proses dying pada

tekanan 0.004 Mpa (temperatur 29 oC)

menuju kondensor. Air dari pompa

kondensor menuju ke bak pengumpul air,

seperti gambar dibawah ini :

Page 13: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

Gambar 3.2 Instalasi Tenaga Uap

Keterangan Gambar :

1. Tangki air

2. Keran air

3. Bak air pengumpul

4. Air yang dihisap oleh pompa air

pengisian

5. Pompa air pengisian ketel

6. Air dipompa masuk kedalam

pemanas air

7. Pemanas air

8. Air dipompa masuk kedalam ketel

9. Uap menuju kemesin Dying

10. Keran pengumpul uap

11. Mesin Dying (pengering uap)

12. Uap bekas menuju ke kondensor

13. Kondensor

14. Keran pendingin kondensor

15. Embun air yang terkumpul

kondensor

16. Pompa air kondensat

17. Air dari pompa kondensat

18. Bahan bakar yang dimasukan

kedalam tungku

19. Udara pembakar

20. Boiller

21. Gas asap keluar dari cerobong

asap

BOILER

12

3

4

5

6

78

9

10

1112

16

13

1415

171819

21

20

14

Page 14: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

3.4 Aliran Gas Pada Ketel Pipa Api

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,

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

dome [2] Perhatikan diagram alir berikut ini,

Gambar 3.3 Diagram Aliran Gas Panas

Pada Ketel Pipa Api [2]

3.5 Termodinamika Ketel Uap

Gambar 3.4 Diagram T-S [5]

Keterangan Gambar :

A-B: Pemanasan air pengisi ketel

(Sensibel Kalor)

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.

Page 15: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

IV Analisa Perhitungan

4.1 Data Pengoperasian Bahan

Bakar Loos Basuki Steam Boiler

Didalam menganalisa perhitungan-

perhitungan karakteristik ketel uap, proses

perhitungannya berdasarkan kepada

jumlah pemakaian bahan bakar rata-rata

pengoperasian ketel uap selama 10 jam di

PT. Mustika Ratu, Tbk dimana data-data

pada pengoperasiannya terdapat pada

tabel berikut ini :

Tabel 4.1 Data Pengoperasian Bahan

Bakar

Tabel 4.2 Bahan Bakar Untuk Ketel Uap

(ASTM Standart D-396) [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 %

Tabel 4.3 Komposisi Unsur Kimia

Didalam Bahan Bakar Yang Digunakan

(Dalam % Berat) [4]

Komposisi Berat

Dalam

%

Perbandingan

Molekul (kg)

Berat

Molekul

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

4.2 Diagram Alir Perhitungan Ketel

Uap

F

S

Be

S

%100)21(

XLowQ

hh

Gambar 4.1 Diagram Alir Perhitungan

Ketel Uap

OperasiBoiler

BahanBakar(kg)

TekananUap

(kg/cm2)

SuhuAir

Masuk(oC)

Uap YangDihasilkan

(kg/Bb)

1 415,3 7,0 50 6000

2 415,8 7,0 50 6000

3 417,5 7,0 50 6000

4 418,2 7,0 48 6000

5 416,9 7,0 49 6000

6 417,3 7,0 50 6000

7 417,4 7,0 50 6000

8 418,8 7,0 50 6000

9 418,9 7,0 49 6000

10 417,8 7,0 50 6000

Page 16: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

4.3 Nilai Pembakaran Bahan Bakar

(Heating Value)

HHV = 33915 x 0,861 + 144033 x

(0,119 -0,0028 / 8) + 10468 x 0,013

= 46.426,41 kJ/kg

LHV = 33915 x 0,861 + 121423 x

(0,119 – 0,0028 / 8) + 10468 x 0,013 –

2512 x (0,002 + 9 x 0,0028 / 8 )

= 43.730,80 kJ /kg

4.4 Nilai Entalpi

∆IK = I“ – Wd

Entalpi Uap (hu), Entalpi uap jenuh

(I“) pada tekanan kerja 7 kg/cm2

berdasarkan tabel uap jenuh maka

didapat [1] :

I“ = 2.762 kJ /kg

Entalpi Air (ha), pada temperatur

air masuk ekonomiser (50 ºC)

dengan menggunakan rumus

interpolasi, maka didapat :

Wd = 192 +

(251 - 192) x8,451,60

8,4550

Wd = 209,11 kJ /kg

Sehingga :

∆IK = I“ – Wd

= 2.762 kJ /kg – 209,11 kJ/kg

= 2552,89 kJ /kg

4.5 Perhitungan-perhitungan

Karakteristik Ketel Uap

Kebutuhan Panas (Q)

Q = S x (∆IK + ∆IR) kJ/jam

= 6000 kg/jam x 2252,89 kJ /kg

Q = 15.317.340 kJ/jam

Dimana:

S : Produksi uap = 6000 kg/jam

P : Tekanan kerja = 7 kg/ cm2

tu : Temperatur uap keluar ketel =

180 oC

ta : Temperatur air masuk

ekonomiser = 50 oC

∆IK : Entalpi uap keluar ketel –

Entalpi air masuk ekonomiser

∆IR : Entalpi uap keluar reheater –

Entalpi uap masuk reheater

∆IK : 2252,89 kJ /kg

∆IR : 0, (tanpa reheater).

Beban Ketel Spesifik (Le)

Le =F

S(kg uap / m2 Jam)

=29,24

/6000

m

jamkg

Le = 240,96 kg uap / m2 Jam

Faktor Penguapan (Ev)

Ev =Be

S

=bakarbahankg

jamkg

39,417

/6000

Ev = 14, 375 kg uap / kg bahan

bakar

Efisiensi Ketel Uap (ηk)

ηk = %100)21(

xLHV

hh

= %10080,730.43

)11,209762.2(375,14x

ηk = 83 %

Page 17: Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan

V Penutup

5.1 Kesimpulan

Dari hasil analisa perhitungan-

perhitungan yang telah dilakukan pada

karakteristik ketel pipa api tipe Loos Basuki

yang terdapat di Pt. Mustika Ratu Tbk,

maka dapat di simpulkan sebagai berikut :

1. Secara garis besar perhitungan

dari karakteristik ketel uap sebagai

melihat efek pemakaian bahan

bakar terhadap kerja ketel uap.

Hasil 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 Tbk, untuk

pengoperasian 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.

[3] Hutagalung, Boiler Operator

Course, 1992 ; Jakarta.

[4]. Djokosetyardjo, MJ. Pembahasan

Lanjut Ketel Uap, 1990, Pradnya

Paramitha ; Jakarta.

[5] Fritz Dietzel, Turbin, Pompa dan

Kompresor, 1996 ; Jakarta.