TUGAS RANCANG

PERANCANGAN SIKLUS ENERGI PADA KETEL UAP TIPE PIPA AIR DENGAN KAPASITAS UAP 500 TON / JAM

Disusun oleh :DANANG RONY SAPUTRA2471015015TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI BUDI UTOMOJAKARTA2011

BAB IPENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Telah berabad-abad lamanya manusia berusaha untuk mendapatkan tenaga yang makin lama makin besar, guna membantu dalam memperkembangkan kebudayaannya. Pertama-tama tenaga manusialah sebagai tenaga utama, kemudian tenaga manusia dibantu dengan tenaga hewan ( kuda ) dan tenaga alam ( angin, air ) yang sederhana, namun manusia selalu berusaha dengan tenaga yang didapatnya tersebut dan diperbesar sesuai dengan keadaan dan penggunaannya, yang tidak tergantung oleh tekanan alam tersebut.

Untuk memenuhi kebutuhannya manusia kemudian menciptakan berbagai jenis mesin. Salah satunya adalah kombinasi antara ketel uap, turbin uap, generator, dan alat bantu lainnya. Berarti dalam hal ini ketel uap memegang peranan penting dalam menanggulangi kebutuhan manusia tersebut.

Pada tahun 1712 Thomas New Comen dan John Calley telah membuat sebuah mesin uap untuk pertama kalinya dengan sukses. Yang mana uap yang dihasilkan oleh alat pemanas (boiler), dialirkan kedalam mesin uap yang mengangkat piston sampai kepuncak, setelah itu diinjeksikan air ke dalam mesin uap maka tekanan menjadi turun sehingga piston tersebut tertarik kembali kebawah. Sisitem ini akan menimbulkan turun naiknya piston (reciprocating).

Pada tahun 1760 dimana pada saat itu dimulainya revolusi industri eropa, model dari New Comen di reparasi oleh James Watt pada tahun 1764. Dan pada tahun 1769 James Watt mulai mengembangkannya. Menurut teorinya, bahwa uap adalah suatu media yang elastis dan dapat mengembang hingga vacum. Banyak rancangan-rancangannya dibuat dengan memakai silinder ( tabung ). Kemudian pada tahun1843 dikembangkan lagi oleh Lancashire dan Cornwall dengan berbentuk silinder bergelombang yang dipasang membujur dalam tangki air. Dalam kebutuhan pemakaian ketel-ketel uap semakin hari semakin bertambah besar, maka jumlah yang dihasilkan uap / jam, tekanan, suhunya pun bertambah besar. Dalam konstruksi ketel-ketel tangki seperti Lancashire dan Cornwall tidak dapat mengikuti perkembangan, karena tekanan dan jumlah uap yang makin tinggi karena disebabkan dinding - dinding dari ketel tersebut tebal dan besar sekali sehingga harga dari konstruksi dari ketel - ketel Lancashire dan Cornwall terlalu mahal.

Ketel uap adalah suatu alat atau pesawat konversi energi dimana energi kimia dar

i bahan bakar dirubah menjadi energi termal dan pemindahan energi termal yang dihasilkan itu ke fluida kerja ( air ) untuk dipakai pada proses-proses bertemperatur tinggi, dan untuk selanjutnya dirubah menjadi energi mekanis dalam sebuah turbin uap. Oleh karena itu prinsip-prinsip yang menguraikan tentang perancangan dan proses kerja system ketel uap merupakan bahasan utama dalam penyusunan perancangan ini.

I.2. Masalah Perancangan

Untuk memenuhi kurikulum yang merupakan syarat dalam menyelesaikan studi tugas merancang dan seminar. Penulis akan melakukan proses perancangan yang antara lain mencakup ; analisa perhitungan, pemilihan bahan dan proses perakitan komponen-komponen hingga menjadi sebuah mesin ketel uap yang siap pakai.

I.3. Pembatasan Masalah

Untuk membatasi ruang lingkup permasalahan, penulis hanya memberikan simulasi perancangan sebuah ketel uap pipa air jenis siklus uap. Dimana pembahasan masalahnya antara lain adalah pengertian ketel siklus uap, analisa perhitungan yang diperlukan, bahan bakar yang digunakan dan bagian-bagian ketel uap.

I.4. Tujuan Penulisan Perancangan

Tujuan dari penulisan perancangan ini adalah :

Untuk mengetahui secara mendalam dan juga studi kasus pada ketel uap yang akan coba dirancang, dan sebagai sarana penerapan pengetahuan yang sangat penting tentang sebuah ketel uap untuk penulis selama mengikuti perkuliahan.

Untuk menerapkan ilmu - ilmu yang didapat dibangku kuliah tentang proses perencanaan yang sesungguhnya.

Melihat kesalahan-kesalahan yang terjadi dalam sebuah perancangan dan bagaimana cara mengatasi masalah tersebut.

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

II.1. Klasifikasi Ketel Uap

Ada banyak klasifikasi ketel uap, berikut ini diberikan beberapa klasifikasi ketel uap yang utama ;

II.1.1. 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 tube ), yang di bagian luarnya terdapat air dan uap.

Jenis ketel - ketel uap yang tergolong dalam ketel lorong api atau ketel pipa api adalah ketel - ketel uap kecil serta sederhana, yang hanya mampu memproduksi uap sampai maksimum sebanyak 10 ton uap / 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, dan karena itu sering disebut ketel - ketel tangki.

Yang termasuk dalam golongan ini ialah ketel - ketel : ketel cornwall dan ketel Lancashire ketel schots dan ketel schots kembarketel kombinasi antara silinder api, lorong api, dan pipa api, serta pip

a uap, beserta beberapa variannya ketel lokomotip dan lokomobil Ketel - ketel tegak, ketel cochran dan variannya

Umumnya ketel - ketel tersebut masih dapat dilayani dengan tangan ( manual ).

II.1.2. Ketel-ketel Pipa Api yang Biasa

Yaitu ketel - ketel air atau uap didalam pipa-pipa atau tabung - tabung, yang dipanasi oleh api atau asap dibagian luarnya. Ketel - ketel pipa air ini pada umunya bertekanan sedang antara 45 kg / cm2 sampai dengan 140 kg / cm2, dengan produksi uap mencapai 1.000 ton uap / jam nya. Jenis-jenis ketel ini mempunyai efisien total yang lebih besar dari ketel - ketel pipa api. Peralatan - peralatan pada ketel ini umunya sudah tidak lagi dilayani oleh tangan ( manual ).

II.1.3. 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 dapat menggunakan air dengan kualitas agak rendahuntuk memperbesar beban tungku ketel atau untuk memperbesar angka perpin

dahan panasnyadan untuk maksud-maksud lainnya.

Yang termasuk dalam golongan ketel - ketel pipa air dengan perencanaan khusus ialah :

ketel Siklus Ganda ( binaire cycle boiler ), dengan variannya berupa ketel / reaktor nuklir.

ketel - ketel untuk tekanan superkritis, yaitu ketel Benson, ketel Sulzer dan ketel Universal Pressure Boiler.

ketel Loffler atau ketel siklus uap ( circulating steam boiler ) yang memungkinkan penggunaan air dengan kualitas agak rendah.

ketel Velox dan ketel - ketel dengan tungku bertekanan, dengan maksud memperbesar beban tungku serta memperbesar angka perpindahan panasnya

ketel Merkuri, yang menggunakan air raksa dan uapnya.

Ketel - ketel jenis ini di desain dengan maksud untuk menyempurnakan ketel - ketel pipa air yang telah ada sebelumnya atau ketel - ketel pipa air yang biasa.

Gambar 1. Instalasi Umum Ketel Uap

Komponen - komponen utama pada ketel uap, antara lain : 1. Pompa air umpan ketel 2. Ekonomiser3. Boiler4. Superheater5. Alat Pemanas Udara ( APL)6. Ruang Bakar7. CerobongAsap8. Blower

II.2. Ketel Siklus Uap dan Skematik

Ketel ini adalah ketel jenis pipa air menggunakan sirkulasi paksa. Prinsip kerja utamanya adalah dengan menguapkan air dengan uap panas lanjut dari superheater. Gas panas dari dapur pemanas digunakan untuk pemanasan panas lanjut. Skema ketel ini bisa dilihat pada gambar 2.

Air umpan dari ekonomiser dipaksa bercampur dengan uap panas lanjut di dalam drum penguap ( evaporating drum ). Sehingga terbentuk uap jenuh, dan kemudian ditarik dari drum dengan pompa sirkulasi uap. Uap ini kemudian mengalir melalui pipa - pipa pada dinding ruang bakar memasuki superheater. Sekitar sepertiga uap panas lanjut diteruskan ke turbin dan sisanya yang dua pertiga digunakan untuk menguapkan air umpan di drum penguap.

Air sebanyak Gw ton / jam dari reservoir atau air dari kondensor dipompa masuk oleh pompa pengisian menuju ekonomiser. Air yang telah panas yang keluar dari ekonomiser, masuk ke drum penguap. Air yang masuk sebanyak Gw ton / jam ke dalam drum penguap diuapkan oleh yang dipanaskan lanjut yang datang dari pembagi uap.

Uap yang terbentuk sebanyak Sc / jam disirkulasikan oleh pompa sirkulasi uap menuju superheater konveksi dan superheater pancaran menjadi uap yang dipanaskan lanjut yang terkumpul di header uap yang dipanaskan. Demikian selanjutnya.

Gambar 2. Skematik Ketel Siklus Uap

Keterangan Skema Ketel Siklus Uap :

fan tekanpemanas udarasaluran udara panaspembakaranpenyediaan bahan bakar masuktungkufan isapcerobong asaptanki air reversepompa air pengisian ketelekonomiserair panas masuk ke drum penguapdrum penguapuap kenyang ke superheatersuperheater konveksisuperheater pancaranheater uap yang dipanaskan lanjutuap yang dipanaskan lanjut pembagi uappembagi uapuap yang dipanaskan lanjut ke drum penguapuap yang dipanaskan lanjut ke turbinturbin uapgenerator listrikuap bekas menuju kondensorkondensorair pendingin kondensorpompa air kondensorair dari kondensorsaluran pengendapan lumpurpengendap lumpurpembuangan lumpur akhir

II.3. Prinsip Kerja Ketel Siklus Uap

Didalam ketel ini hanya bersikulasi uap saja, penguapan berlangsung pada dinding penguap yang di tempatkan di luar ketel atau di luar laluan api / gas asap. Jadi, uap panas lanjut yang dibangkitkan oleh ketel uap ini sebagian dialirkan keluar sebagai produksi uap untuk menggerakan turbin uap. Sedangkan sisa lainnya dikembalikan ke ketel itu sendiri untuk mengubah air menjadi uap kenyang.

Proses produksi uap yang dihasilkan dapat di uraikan sebagai berikut, mula - mula air dari tangki persediaan air ( reservoir ) dipompakan kedalam ekonomiser dengan menggunakan pompa pengisian air ketel ( boiler feed water pump ). Di dalam ekonomiser, temperatur air meningkat tetapi mesin di bawah temperatur penguapan, kemudian air panas tersebut mengalir menuju drum penguap. Pada drum penguapan air panas yang berasal dari superheater pancaran dan dari pencampuran ini akan menghasilkan uap kenyang dengan tekanan dan temperatur tertentu.

Uap kenyang yang dihasilkan oleh drum penguap selanjutnya dipompakan menuju superheater konveksi dengan menggunakan pompa sirkulasi. Pada superheater, konveksi

uap kenyang mengalami peningkatan temperatur dan berubah menjadi uap panas lanjut tetapi belum mencukupi untuk dapat menggerakan turbin uap, untuk itu uap panas lanjut dialirkan menuju superheater pancaran dengan tujuan untuk mendapatkan tekanan dan temperatur yang sesuai untuk menggerakan turbin uap. Uap panas lanjut yang dihasilkan superheater pancaran tidak dipergunakan seluruhnya untuk menggerakan turbin, tapi hanya sebagian dari produksinya dan sebagian sisanya lagi dialirkan kembali ke dalam drum penguap untuk proses pembentukan uap kenyang.

Setelah menggerakan turbin uap tekanan tinggi ( high pressure turbine ), uap panas lanjut dialirkan kembali ke dalam reheater untuk dinaikkan temperaturnya agar dapat menggerakan turbin uap tekanan rendah ( low pressure turbine ). Uap panas lanjut yang keluar dari turbin tekanan rendah dialirkan menuju kondensor untuk diubah lagi menjadi air pengisian ketel dan selanjutnya proses tersebut berulang kembali secara terus menerus.

Sirkulasi pada ketel jenis ini adalah sirkulasi buatan ( forced circulation ), disini uap mengalir dengan perantara pompa sirkulasi yang berada diantara drum penguap dan superheater konveksi. Ciri - ciri khusus dari ketel ini adalah uap yang dihasilkan berupa uap panas lanjut, disamping itu penguapan air menjadi uap tidak terjadi pada pipa - pipa penguap melainkan pada drum penguap. Hal ini sangat menguntungkan karena kotoran-kotoran yang terbawa oleh air tidak akan mengendap didalam pipa - pipa yang dapat menyebabkan terganggunya proses perpindahan panas dari api kecil. Keuntungan lainnya adalah jenis ketel ini dapat menggunakan kualitas air yang agak rendah.

II.4. Proses Terbentuknya Uap

Karena pembentukkan uap bergantung pada tekanan, maka proses pembentukkan uap diupayakan berada pada tekanan konstant. Bila 1 kg air dengan temperatur 200 o C dipanaskan dalam sebuah bejana tertutup dengan tekanan konstan ( 1 atm ), maka selama pemanasan tingkat pertama temperatur didih dicapai dan uap mulai terbentuk.

Uap ini dinamakan uap basah ( saturated liquid ), karena masih tercampur antara uap dengan butir – butir air. Apabila semua uap termasuk butir – butir air yang tercampur dalam uap basah dipanaskan lagi maka akan didapatkan uap jenuh ( saturated vapour ) yaitu keadaan dimana uap tersebut dapat berwujud uap seluruhnya. Jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg air mendidih menjadi uap jenuh pada tekanan konstan dinamakan panas laten, bila pemanasa dilanjutkan maka temperatur uap jenuh itu menjadai naik dan uap itu dinamakan uap panas lanjut ( superheated vapour ).

Pada pembentukan uap pada ketel uap, udara dan bahan bakar dimasukkan kedalam dapur dan terjadi proses pembakaran. Gas – gas hasil pembakaran akan melewati evaporator, superheater, air heater, dan akhirnya dibuang ke atmosfir melalui cerobong asap. Sedangkan air pengisi, setelah mengalami pemanasan pada daerator, lalu dimasukkan kedalam evaporator dan selanjutnya uap jenuh dipanaskan lanjut pada superheater dan akhirnya diperoleh uap panas lanjut ( superheated steam ).

Gambar 3. Grafik T - s Pada Pembentukan Uap

II.4.1. Siklus Thermodinamika

Di susun oleh serangkaian proses perubahan energi panas yang mengembalikan kerja fluida ke bentuk asalnya. Selama terjadinya proses, satu bagian daya biasanya berlangsung konstan. Hal ini termasuk suhu konstan ( isothermal ), tekanan konstan ( isobaric ), volume konstan ( isometric ), entropi konstan ( isentropic ), t

idak ada perpindahan panas ( adiabatic ), dan entalphi konstan ( throttling ).

Siklus thermodinamika dasar untuk uap adalah siklus Rainkine, yang mencakup pemampatan isentropic, pertambahan panas isobaric, pembesaran isentropic, dan yang terakhir pembuangan panas isobaric. Siklus Rainkine untuk system fluida seperti pada grafik T - s diatas.

Gambar 4. Grafik Siklus Rankine

Gambar 5. Proses Siklus Rankine

Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida ( tekanan dan / atau wujud ), antara lain :

Proses 1 : Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi. Proses 2 : Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.

Proses 3 : Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.

Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.

II.5. Perpindahan Panas Pada Ketel Uap

Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara, yang berupa api ( menyala ) dan gas ( tidak menyala ) dipindahkan kepada air, uap, ataupun udara, melalui bidang yang dipanaskan ( heating surface ), pada suatu instalasi ketel uap dengan tiga cara :

dengan cara pancaran ( radiasi )dengan cara aliran ( konveksi )dengan cara perambatan ( konduksi )

II.5.1. Perpindahan Panas Secara Pancaran ( Radiasi )

Perpindahan panas secara pancaran / radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang - gelombang elektro- magnetis tanpa tergantung kepada ada atau tidaknya media atau zat diantara media yang menerima pancaran panas tersebut.

Pemindahan panas secara pancaran dapat dibayangkan berlangsung melalui media berupa Aether yaitu suatu jenis materi bayangan tanpa bobot, yang mengisi seluruh sela - sela ruangan diantara molekul - molekul dari suatu zat tertentu, ataupun di dalam ruang hampa sekalipun. Molekul - molekul api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan gangguan keseimbangan elektro-megnetis terhadap aether tersebut. Sebagian dari panas atau energi yang timbul dari hasil pembakaran tersebut, diserahkan kepada aether, dan yang akan menyerahkan lebih lanjut melalui gelombang-gelombang elektro-magnetis kepada benda atau

bidang yang akan dipanasi ( dinding ketel, dinding tungku, lorong api, pipa - pipa ketel dan sebagainya ).

Penyerahan panas dari api atau gas asap melalui aether kepada bidang yang akan dipanasi tersebut melalui gelombang - gelombang elektro-magnetis yang lintasannya lurus seperti halnya lintasan sinar. Apabila lintasan penyerahan panas melalui gelombang - gelombang elektro-magnetis dari eather tersebut tertutup atau terhalang oleh benda lain, maka bidang yang akan dipanasi tadi tidak akan menerima panas secara pancaran, atau terhalang penyerahan panas secara pancarannya.

Dengan demikian bidang yang akan dipanasi hanya dapat menerima perpindahan panas secara pancaran bila bidang / benda terhalang penglihatan kepada api, maka benda / benda tersebut tidak akan memperoleh panas secara pancaran. Semua zat – zat yang memancarkan panasnya ( molekul - molekul api atau gas asap ), intensitas radiasi thermisnya atau kuat pancaran panasnya tergantung dari temperatur zat yang memancarkan panas tersebut.

Bila pancaran panas menimpa sesuatu benda atau bidang, sebagian dari panas pancaran yang diterima benda tersebut, akan dipancarkan kembali ( re-radiated ) atau dipantulkan ( reflected ), dan sebagian yang lain dari panas pancaran tersebut akan diserapnya. Adapun banyaknya panas yang diterima secara pancaran atau QP berdasarkan rumus dari Stephan-Boltzman adalah sebesar :

......ref.1 hal.24

CZ : konstanta pancaran dari Sthepan- Boltzman yang dinyatakan dalam KiloJoule / M2.Jam. o K4 atau dalam Watt / M2.o K4 . Bila Cz dinyatakan dalam KiloJoule / M2.Jam.o K4 ,maka Qp dinyatakan dalam KiloJoule / Jam. Bila Cz dinyatakan dalam Watt / M2.o K4 ,maka harga Qp dinyatakan dalam Watt.F : luas bidang yang dipanaskanTapi : temperatur api ( o K )Tpl : temperatur dinding sebelah luar pipa ( o K )

Adapun besarnya Cz antara lain di tentukan oleh :keadaan permukaan bidang yang di panasi, kasar, halus.bahan benda yang di panasi : besi, tembaga, alumunium, dll.warna bidang benda yang di panasi : hitam, abu-abu, putih.dan lainnya.

Tabel 1. Harga Konstanta Sthepan- Boltzman

F : luas bidang yang dipanasi, dalam M2T : temperatur dalam o Kelvin

II.5.2. Perpindahan Panas Secara Aliran ( Konveksi )

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 melayang - melayang kesana kemari membawa sejumlah panas masing - masing q Joule. Pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, yaitu q1 joule kepada dinding ketel, selebihnya yaitu q2 = q – q1 Joule dibawa pergi.

Gambar 6. Molekul - molekul Fluida

Bila gerakan dari molekul - molekul yang melayang-melayang kesana kemari tersebut disebabkan karena perbedaan temperatur di dalam fluida itu sendiri, maka perpindahan panasnya disebut Konveksi Bebas ( free convection ) atau Konveksi Alamiah ( natural convection ). Bila gerakan molekul - molekul tersebut sebagai akibat dari kekuatan mekanis ( karena dipompa atau karena dihembus oleh fan ) maka perpindahan panasnya disebut Konveksi Paksa ( forced convection ).

Dalam gerakannya molekul - molekul api tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding ketel atau bidang yang dipanasi. Jumlah panas yang diserahkan secara konveksi adalah ;

g......ref.1 hal.26

� : angka peralihan panas dari api ke dinding ketel dinyatakan dalam Kilojoule / M2. Jam . o K atau Watt / M2 . o K.

bila � dinyatakan KJ / M2 . Jam . o Kbila � dinyatakan KJ / M2 . jam . o K maka QK dinyatakan dalam KJ / jam, s

edangkan bila dinyatakan dalam Watt / M2 o K, maka QK dinyatakan dalam Watt.F : luas bidang yang dipanasi dinyatakan dalam M2T : temperatur di dalam o K

Bagian – bagian yang terkena panas secara radiasi atau konveksi adalah :- secara radiasi : a. secondary superheater

b. boiler side wall- secara konveksi : a. primary superheater

b. ekonomiser

II.5.3. Perpindahan Panas Secara Perambatan ( Konduksi )

Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi adalah perpindahan panas dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik ( kontak fisik atau menempel ), tanpa terjadinya perpindahan molekul – molekul dari benda padat itu sendiri.

Di dalam dinding ketel tersebut, panas akan dirambatkan oleh molekul - molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan api, menuju ke molekul - molekul dinding ketel bagian dalam yang berbatasan dengan air, uap, ataupun udara. Perambatan panas melalui benda padat menempuh jarak yang terpendek.

Jumlah panas yang dirambatkan = QR melalui dinding ketel adalah sebesar :

� : angka perambatan panas di dalam dinding ketel dinyatakan dalam Kilojoule / M . jam . o K atau Watt / M . o K .bila � dinyatakan dalam KJ / M . jam . o K maka QR dinyatakan dalam KJ / jam, teta

pi bila � dinyatakan dalam Watt / M2 K maka QR dinyatakan dalam Watt. S : tebal dinding ketel dinyatakan dalam meter. F : luas dinding ketel yang merambatkan panas, dalam M3. Td1 : temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api. Td2 : temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan air, uap atau udara.Temperatur dinyatakan dalam o Kelvin, untuk selanjutnya panas yang dibawa merambat oleh dinding ketel tersebut diterima oleh molekul - molekul air, uap ataupun udara dengan cara konveksi pula, yaitu penyerahan sebagian panas oleh molekul - molekul dinding ketel kepada molekul - molekul dinding air, uap ataupun udara. Molekul - molekul air, uap ataupun udara tersebut dalam keadaan mengalir / bergerak, bukan dalam kondisi diam.

Dengan demikian penyerahan panas secara konduksi dan konveksi bersama-sama melalui proses - proses sebagai berikut :

panas dialihkan dari fluida ( api atau gas asap ) kepada benda padat ( dinding ketel )

panas dirambatkan didalam benda padat ( dinding ketel ) atau didalam benda padat berlapis - lapis ( jelaga, dinding ketel, kerak ketel )

panas dialihkan dari benda padat ( dinding ketel atau kerak ketel ) kepada fluida ( air, uap ataupun udara )

II.6. Fungsi Bagian - bagian Utama Pada Ketel Uap

II.6.1. Superheater

Superheater adalah piranti penting pada unit pembangkit uap. Tujuannya adalah untuk meningkatkan temperatur uap jenuh tanpa menaikkan tekanannya. Biasanya piranti ini merupakan bagian integral dari ketel, dan ditempatkan dijalur gas asap panas dari dapur. Dari gas asap ini digunakan untuk memberikan panas lanjut pada uap. Superheater yang biasanya terpasang pada ketel siklus uap diperlihatkan oleh gambar 7.

Piranti ini terdiri dari dua kotak baja ( heater ), dimana bergantung padanya dari sekumpulan pipa lengkung berbentuk U ujung dari pipa - pipa ini diteruskan ke header. Uap masuk ke ujung belakang header dan keluar diujung depan header. Panas yang berlebihan pada pipa superheater dicegah dengan menggunakan damper penyeimbang yang dioperasikan dengan handle.

Gambar 7. Prinsip Kerja Superheater

Superheater bekerja jika damper pada posisi yang ditunjukkan gambar. Jika damper pada posisi vertikal, gas akan lewat langsung di dasar tanpa melewati pipa - pipa superheater. Pada kondisi ini maka superheater tidak bekerja. Perlu dicatat bahwa jika superheater bekerja, dua katup dalam kondisi terbuka dan satu katup tertutup. Jika uap diambil langsung dari ketel , kedua katup akan tertutup dan satu katup akan terbuka.

II.6.1.1. Dilihat dari lokasi penempatannya Superheater dibagi manjadi :

Superheater KonveksiSuperheater konveksi menerima panas secara konveksi dari api atau gas asap. Panas yang diterima secara konveksi dari gas asap sebanyak :

P = 81 Bar

T = 477 o C

i' = i'' + Cp ( Tu – Td )i' = 3118,4 KJ / Kg

Panas jenis gas asap dalam hal ini harganya konstan. Jumlah gas asap yang lewat, tergantung dari jumlah bahan bakar yang dibakar. Makin banyak jumlah gas asap yang terbentuk dan melewati superheater konveksi tersebut dan sebaliknya, makin berkurang bahan bakar yang dibakar maka makin berkurang juga jumlah gas asap yang terbentuk.

Superheater PancaranSuperheater pancaran menerima panas dari api secara pancaran. Panas yang

diterima dari api secara pancaran sebanyak :

P = 85 BarT = 301,6 o Ci'' = Wd + ri'' = 3200,52 KJ / Kg

Temperatur api hanya tergantung dari jenis bahan bakar yang dibakar dan temperatur udara pembakaran yang dimasukan ke dalam tungku.

Superheater KombinasiSuperheater kombinasi merupakan kombinasi dari superheater konveksi dan superheater pancaran. Karena superheater kombinasi merupakan kombinasi antara dua jenis superheater, maka karakteristik atau sifat - sifat yang tidak baik dapat dieliminasi, sehingga yang tersisa ialah karakteristik yang baik dari kedua superheater tersebut :

( + ) dapat mengikuti beban( + ) temperatur uap dapat tinggi ( - ) harganya mahal

Kekurangannya ialah harganya yang mahal merupakan harga superheater konveksi ditambah harga superheater pancaran.

II.6.2. Reheater

Adalah alat yang digunakan untuk memanaskan uap yang hampir kenyang setelah menggerakan turbin tekanan tinggi ( HPT ) untuk dijadikan uap panas lanjut kembali dan digunakan untuk menggerakan turbin tekanan rendah ( LPT )

II.6.3. Ekonomiser

Ekonomiser adalah piranti yang digunakan untuk memanaskan air umpan dengan memanfaatkan panas dari gas asap sebelum masuk ke cerobong. Ekonomiser akan meningkatkan nilai ekonomis ketel uap. Jenis ekonomiser yang populer adalah ekonomiser “Greans” dan banyak digunakan pada ketel stasioner.

Gambar 8. Konstruksi Ekonomiser

Gambar 9. Instalasi Ekonomiser

Gambar 10. Model sirip - sirip pada ekonomiser

Dilihat dari arus air dan gas asapnya, ekonomiser dibagi menjadi :ekonomiser arus searahekonomiser arus berlawanan arahekonomiser arus kombinasi

Ekonomiser ini terdiri dari sejumlah besar pipa vertikal yang ditempatkan sebagai penambahan gas asap antara ketel dengan cerobong seperti terlihat pada gambar 11. Pipa - pipa ini mempunyai panjang 2,75 M, diameter luar 11,4 cm dan tebal 11,5 mm dari bahan besi tuang. Ekonomiser dibuat dalam seksi tegak. Setiap seksi umumnya terdiri dari enam atau delapan pipa vertikal ( 1 ). Pipa - pipa ini disambung ke pipa atau kotak horizontal ( 2 ) diatas dan ( 3 ) dibawah. Kotak atas ( 2 ) dari seksi yang berbeda disambung dengan pipa ( 4 ), sedangkan kotak bawah disambungkan ke pipa ( 5 ).

Gambar 11. Prinsip Kerja Ekonomiser

Air umpan di pompa ke ekonomiser pada ( 6 ) dan memasuki pipa ( 5 ), Kemudian air masuk ke dalam kotak bawah ( 3 ) dan kemudian ke dalam kotak atas ( 2 ) melalui pipa ( 1 ). Air kemudian diarahkan pipa ( 4 ) ke pipa ( 7 ) dan kemudian ke ketel. Perlu dicatat bahwa temperatur air umpan tidak boleh kurang dari 35 o C, jika tidak ada bahaya korosi disebabkan oleh uap air di gas asap mengendap di pipa dingin.

Berikut ini adalah keuntungan-keuntungan menggunakan ekonomiser :ada penghematan bahan bakar antara 15 s/d 20 %.meningkatkan kapasitas menghasilkan uap karena memperpendek waktu yang d

iperlukan untuk merubah air ke uap.mencegah pembentukan kerak di dalam pipa air ketel, sebab kerak sekarang

mengendap di pipa ekonomiser yang bisa dengan mudah dibersihkan.Karena air umpan memasuki ketel panas, sehingga regangan karena ekspansi yang tidak sama bisa diminimalisir.

Seperti halnya pada superheater konveksi yang telah dirancang, pada ekonomiser :

Air masuk ke ekonomiser, dimana :P = 90 BarT = 140 o CW = ( 303,3 o C – 140 o C Kkal / Kg )W = 683,74 KJ / Kg

Air keluar dari ekonomiser, dimana :P = 85 BarT = 250 o CW = 1894,62 KJ / Kg

II.6.4. Desuperheater

Desuperheater adalah suatu alat yang digunakan untuk mencampur steam dengan air

yang dikabutkan ( disemprotkan ). Banyaknya air yang akan disemprotkan dikontrol oleh valve sesuai dengan temperatur steam yang diperlukan. Desuperheater dibuat dari bahan Cr dan Mo. Alat ini terletak setelah outlet superheater, untuk mengontrol temperatur agar tetap pada kondisi yang diinginkan.

II.6.5. Drum Penguap

Pada ketel siklus uap ini drum penguap berfungsi untuk menghasilkan uap kenyang pada tekanan dan temperatur tertentu dengan cara mencampur uap panas lanjut yang berasal dari superheater pancaran dengan air panas yang berasal dari ekonomiser. Dimana :P = 83 BarT = 298,56 o Ci'' = ( Wd + r )i'' = 2750 KJ / kg

II.6.5. Evaporator

Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi untuk memanaskan air hingga berubah menjadi uap jenuh, evaporator terdiri atas pipa - pipa air yang disusun dengan jarak sempit agar penyerapan kalor setinggi mungkin. Pipa - pipa tersebut adalah pipa evaporator yang berfungsi sebagai pipa penguapan yaitu merubah air menjadi uap, pipa evaporator terletak disepanjang dinding ketel mengelilingi alat pembakar ( Furnace ). Air masuk ketel melewati pipa pengatur turun ( down corner ) kemudian mengisi pipa evaporator dan mengalami pemanasan oleh pembakaran bahan bakar dan air akan mendidih lalu menuju drum ketel oleh separator dilakukan proses pemisahan antara uap dan air. Air yang tersisa akan disirkulasikan kembali ke pipa evapurator untuk dipanaskan kembali. Selanjutnya uap tersebut akan dialirkan ke superheater untuk dipanaskan lebih lanjut.

II.6.6. Air Preheater

Air heater adalah pemanas udara pendahuluan sebelum dimasukkan kedalam ruang bakar, sebagai pemanas digunakan gas - gas sisa hasil pembakaran sebelum dibuang ke atmosfer. Pemanasan udara pendahuluan sebelum dimasukkan ke ruang bakar berarti mengurangi kebutuhan untuk menaikkan temperatur udara di dalam ruang bakar, manfaat lain dengan memanaskan udara pembakaran terlebih dahulu adalah agar dapat mempercepat penguapan air yang terkandung dalam bahan bakar. Pada PLTU memiliki 2 Air preheater yaitu Air preheater I dan Air preheater II, dan antara air preheater tersebut diletakkan ekonomiser, gas - gas sisa pembakaran sebelum dibuang ke atmosfer terlebih dahulu di lewatkan melalui Air preheater II dan Air preheater I untuk dimanfaatkan kalornya.

Uap masuk preheater, dimana :P = 30 BarT = 420 o Ci' = 3180,22 KJ / Kg

Uap keluar dari preheater, dimana :P = 27 BarT = 520 o Ci' = 3387,16 KJ / Kg

Keuntungan yang diperoleh dengan memanaskan udara pembakaran ini adalah :

api didalam tungku tidak banyak mengalami penurunan temperatur, hal ini di maksudkan untuk menjaga agar api di dalam tungku tidak padam dengan sendiriny

a.membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung didalam bahan b

akar, khususnya bahan bakar minyak sehingga mempercepat berlangsungnya proses pembakaran di dalam tungku.

Ada 3 macam pemanas udara atau preheater :pemanas udara pipapemanas udara pelatpemanas udara regenerasi atau Ljungstrom

Gambar 12. Pemanas Udara Pipa dan Pemanas Udara Pelat

Pada pemanas udara pipa, gas asap dialirkan melalui pipa – pipa, sedangkan udara dialirkan di sekeliling luar pipa – pipa, sehingga terjadi pertukaran panas antara gas asap dengan udara melewati dinding – dinding pipa. Ada pula udara yang melewati pipa – pipa sebelah dalam, sedangkan gas asap melewati sekeliling luar pipa – pipa. Diameter luar pipa – pipa sekitar 20 mm hingga 25 mm, tergantung besar kecilnya pemanas udara atau besar kecilnya ketel uap. Pada pemanas udara pelat, udara dialirkan diantara pelat – pelat yang berganti – ganti atau berselang seling dengan gas asap sehingga pertukaran antara gas asap dengan udara yang dipanasi melalui dinding – dinding pelat yang dibatasi.

Gambar 13. Pemanas Udara Regenerasi atau LJUNGSTROM

Pada pemanas udara regenerasi atau pemanas udara Ljungstrom terdapat elemen – elemen logam yang untuk sementara waktu ditempatkan pada aliran gas asap, sehingga untuk sementara waktu elemen logam tersebut dipanasi oleh gas asap, kemudian dipindahkan di daerah aliran udara untuk beberapa saat, sehingga udara sempat mengambil panas dari elemen – elemen logam tersebut. Bila elemen logam tersebut telah dingin lagi, maka elemen – elemen logam tesebut dibawa kembali ke daerah gas asap untuk dipanasi, bila telah panas dibawa kembali ke daerah aliran udara. Demikian dilakukan secara terus menerus

II.6.7. Cerobong Asap

Cerobong asap digunakan untuk mengalirkan gas asap keluar dari ketel uap dengan kecepatan tertentu dan digunakan untuk mengatasi geseran - geseran yang terjadi terhadap aliran gas asap, mulai dari rangka bakar atau pembakar ( burner ) hingga keluar dari cerobong. Dengan kata lain untuk menimbulkan isapan cerobong atau Stackk Draught. Disamping itu, digunakan untuk membuang gas asap setinggi mungkin sehingga tidak mengganggu lingkungan sekitarnya.

Gambar 14. Cerobong Asap

Timbulnya isapan cerobong disebabkan karena perbedaan berat jenis antara berat jenis udara ( B . J . udara ) dengan berat jenis gas asap ( B . J . gas asap pada temperatur gas asap tg o C ). Bila tinggi cerobong dimisalkan t meter dan luas irisan cerobong A = 1 M2, maka berat suatu kolom udara bayangan dengan luas irisan A = 1 M2 dan tinggi t meter, ialah :

Gudara = 1 [ M2 ] x t [ M ] x B . J . udara [ Kg / M3 ]

Berat kolom gas asap dengan luas irisan kolom yang sama dengan tinggi kolom yang sama pula, ialah :

Ggas asap = 1 [ M2 ] x t [ M ] x B . J . gas asap [ Kg / M3]

Bila di dasar kolom terdapat tekanan sebesar p [ Kg / M2 ] maka selisih berat udara dikurangi berat gas asap sebanyak :

: ( p x 1 + t B . J . udara x 1 ) – ( p x 1 + t x B . J . gas x 1 ) ......ref.1 hal.339: t x ( B . J . udara – gas asap ) [ Kg ]

Perbedaan tekanan ini disebut isapan cerobong teoritis atau Hteoretis, isapan cerobong teoritis ini dengan menggunakan asumsi bahwa gas asap tidak mempunyai kecepatan mengalir.

∆ p = t x ( B . J . udara – B . J . gas asap ) [ Kg / M2 ] atau ...... ref.1 hal.339t = ∆ p : ( B . J . udara – B . J . gas asap )

untuk harga - harga ∆ p = 20 mm . K . A . hingga 40 mm K.A= 20 Kg / M2 hingga 40 Kg / M2

dan untuk : B . J . gas asap = 0,733 Kg / M3 B . J . udara = 1,220 Kg / M3

maka harga t = 41 M hingga 82 M

II.6.8. Ventilator

Bila isapan cerobong hanya didasarkan kepada isapan cerobong alamiah saja, maka cerobong harus dibuat tinggi sekali. Lagi pula pada saat mulai menyalakan api di dalam tungku ( initial firing ), akan didapat kesukaran yaitu sepanjang saluran gas asap temperaturnya masih rendah pada saat itu, sehingga perbedaan antara berat jenis udara luar dengan berat jenis gas asap belum begitu besar atau bahkan praktis masih belum ada perbedaan berat jenis sehingga isapan cerobong juga masih rendah. Dengan demikian sukar dibangkitkan isapan cerobong yang besar pada saat ketel mulai dinyalakan, dengan demikian menyebabkan proses initial firing menjadi sangat lamban.

Untuk memperbesar harga lapisan cerobong efektif He maka digunakan ventilator - ventilator atau fan, untuk menciptakan isapan cerobong paksa, sehingga harga isapan cerobong teoretis ( Hteoretis ) dapat diperbesar.

Daya Fan=(G_v x Δp ventilator)/("�" Fan x 120) [ KW ]

Gv : jumlah gas asap yang lewat ( M3 / detik )� Fan : efesiensi fan

Gambar 15. Jenis - jenis VentilatorII.6.8. Pembersih Ketel Uap

Pada ketel uap terjadi pengotoran - pengotoran yang disebabkan oleh :kerak ketel pada aliran airabu pada aliran api dan gas asap

Kerak ketel yang terbentuk pada pipa-pipa penguap, untuk waktu - waktu tertentu harus dibersihkan, agar tidak mengerak pada dinding pipa sehingga dapat mengganggu perpindahan panas dari api diluar pipa kepada air yang ada didalam pipa. Untuk membersihkan kerak ketel dari dalam pipa - pipa digunakan pelocok pipa untuk pipa-pipa yang lurus, seperti halnya pipa - pipa pada ketel siklus uap. Ujung pelocok pipa diberi kawat baja spiral yang dapat mengorek endapan-endapan kerak pada pipa.

Gambar 16. Pelocok Pipa

Untuk membersihkan kerak ketel dari dalam pipa - pipa yang panjang serta melengkung digunakan Bor Pipa. Bor pipa yang dimaksud berupa motor listrik yang pada porosnya terdapat tiga buah engsel - engsel yang masing - masing engsel tersebut memegangi sebuah poros. Pada poros tersebut terdapat roda bergerigi yang dapat berputar. Roda bergerigi tersebut yang akan mengikis lapisan kerak dari dalam pipa. Kabel motor listrik diberi pelindung yang agak kaku namun fleksibel, sehingga dapat dimasukkan kedalam pipa - pipa yang melengkung sekalipun.

Gambar 17. Bor Pipa

II.6.9. Penangkap Debu ( Dust Collector / Praecipitator )

Gas asap sebelum dibuang keluar melalui cerobong asap harus dibersihkan dahulu dari debu atau abu terbang, yang turut terbawa oleh gas asap, agar tidak menimbulkan pengotoran dan polusi terhadap lingkungan sekitar. Ada beberapa macam alat yang digunakan untuk menangkap debu terbang sebelum gas asap dibuang keluar melalui cerobong, yaitu :

sistem mekanis kering siklon ( cyclone ) dan multi siklon ( multi cyclone )

system mekanis basah sistem hujan buatan, dan sistem adhesi

sistem elektro statis

Siklon atau cyclone yang perinsip kerjanya didasarkan gaya sentrifugal. Gas asap yang masih kotor masuk kedalam siklon dengan arah tangensial. Dengan demikian gas asap di dalam siklon tersebut dipaksa melakukan pusaran, sehingga butiran - butiran abu dihempaskan ke dinding siklon dan menggelincir kebawah sepanjang dinding siklon, sedangkan gas asap yang relatif lebih ringan dari butiran - butiran

debu atau abu akan terpisahkan dari abunya, dan naik ke atas melalui pipa yang terdapat ditengah siklon.

Gambar 18