NASKAH PUBLIKASI

PERENCANAAN KETEL UAP PIPA AIR SEBAGAI

PENGGERAK TURBIN DENGAN KAPASITAS UAP HASIL

40 TON/JAM, TEKANAN KERJA 17 ATM DAN SUHU

UAP 350oC

Makalah Seminar Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat untuk mengikuti Ujian Tugas Akhir pada Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh :

FERRY FAJAR NUGROHO

D. 200 060 040

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

APRIL 2012

HALAMAN PERSETUJUAN

Naskah Publikasi berjudul ” Perencanaan Ketel Uap Pipa Air Sebagai

Penggerak Turbin Dengan Kapasitas Uap Hasil 40 Ton/Jam, Tekanan

Kerja 17 Atm, dan Suhu Uap 350oC”, telah disetujui oleh pembimbing dan

diterima untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh derajat

sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh :

Nama : FERRY FAJAR NUGROHO

Nim : D200 060 040

Disetujui pada

Hari :

Tanggal :

ABSTRAKSI

Ketel uap adalah suatu pesawat energi yang digunakan untuk

mengubah air menjadi uap air pada kapasitas dan tekanan tertentu, salah

satu jenis ketel uap yang dipakai untuk kebutuhan industri adalah ketel

uap pipa air.

Ketel uap pipa air merupakan pengembangan ketel uap yang

dimana didalam pipa air mengalir fluida yang berupa air, sedangkan gas

pemanasnya dari hasil pembakaran dari ruang bakar mengitari diluar pipa

– pipa air tersebut. Pada ketel uap pipa air ada sebuah alat bantu yang

sangat berperan yaitu ekonomiser dan superheater. Dimana ekonomiser

digunakan untuk memanasi air isian ketel sebelum masuk ketel, adapun

fungsinya memanaskan air isian ketel sampai mendekati titik didih ketel,

sehingga kerugian kalor dalam ketel berkurang, maka efisiensi ketel akan

meningkat dan menghemat pemakaian bahan bakar. Sedangkan

superheater merupakan alat untuk memanaskan uap kenyang menjadi

uap yang dipanaskan lanjut. Untuk meningkatkan kapasitas uap

diperlukan adanya perlakuan pada air isian ketel terhadap air isian ketel

agar dapat menjaga kualitas air bebas dari kotoran dan endapan yang

dapat mengakibatkan kerak pada pipa – pipa dan tangki. Bahan bakar

yang digunakan adalah ampas tebu yang terdapat disekitar pabrik gula.

Dalam perencanaan ini didapatkan kesimpulan menurut analisis

perhitungan yaitu, kualitas air isian yang kotor mengakibatkan

perpindahan panas pada ketel uap menjadi terhambat, karena diakibatkan

bertambah tebalnya dinding pipa dari endapan lumpur. Nilai kalor

pembakaran yang dihasilkan oleh ampas tebu adalah sebesar 5.152

BTU/lb bb. efisiensi ketel uap yang direncanakan yaitu 82,2 %

Kata Kunci : Ketel uap , ampas tebu, air isian

PENDAHULUAN

Ketel uap merupakan suatu pesawat tenaga yang banyak

digunakan dan dianggap layak dalam dunia industri di negara

indonesia. Dimana ketel biasanya digunakan untuk penggerak mula

juga dapat digunakan untuk pemanas.

Pada umumnya ketel uap memerlukan bahan bakar untuk

menghasilkan uap. Dimana bahan bakar yang digunakan berupa

bahan bakar padat, bahan bakar cair dan bahan bakar gas.

Terjadinya krisis energi pada saat ini, maka banyak negara –

negara yang berlomba – lomba untuk mencari bahan bakar selain

bahan bakar hasil penambangan. Di Indonesia, ketel uap masih

banyak menggunakan bahan bakar dari hasil penambangan, yang

berupa minyak bumi, batu bara dan gas alam. untuk mengurangi

ketergantungan terhadap bahan bakar hasil penambangan, banyak

industri – industri di Indonesia yang menggunakan bahan bakar

alternatif yang ada disekitar perusahan tersebut. Seperti ampas

tebu yang digunakan untuk bahan bakar ketel uap, yang terdapat

pada industri – industri gula yang ada negara Indonesia.

Dalam perencanaan ini berisi tentang perencanaan ketel uap

pada sebuah industri yaitu pabrik gula yang memegang peranan

penting pada proses produksi yaitu untuk menggerakan turbin. Uap

yang dihasilkan akan digunakan untuk proses produksi gula.

Setelah mengetahui pentingnya peranan ketel uap dalam

perusahaan, maka dalam perencanaan ini diambil topik ketel uap

pipa air.

TUJUAN PERENCANAAN

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini sebagai berikut:

a. Untuk mengetahui ketel uap tipe pipa air dengan kapasitas 40

ton/jam, tekanan 17 atm dan suhu 350 oC.

b. Untuk mengetahui efisiensi ketel uap pipa air.

LANDASAN TEORI

Ketel uap adalah pesawat energi yang digunakan untuk

mengubah air menjadi uap air pada kapasitas dan tekanan tertentu.

Proses produksi uap yang terjadi pada dapur yaitu energi kalor dari

pembakaran bahan bakar diberikan kepada air isian ketel melalui

pendidihan sehingga terbentuk uap.

Komponen-komponen utama dalam ketel uap:

dapur, berfungsi sebagai alat untuk mengubah energi kimia

bahan bakar menjadi energi kalor,

alat penguap (evaporator), berfungsi untuk mengubah air

menjadi uap dengan bantu energi pembakaran bahan bakar.

Komponen pendukung ketel uap:

Sistem pemipaan, sistem yang digunakan adalah pipa-pipa air

yang diatur, agar panas yang diserap maksimal,

Cerobong asap, adalah alat yang digunakan untuk mengalirkan

gas asap sisa pembakaran dari ketel uap keluar menuju udara

bebas, sehingga dapur dapat berfungsi secara efektif.

Pemanas uap lanjut ( Superheater ) adalah sebuah alat untuk

memanaskan uap kenyang / uap jenuh menjadi uap yang

dipanaskan lanjut.

Ekonomiser merupakan alat bantu yang dapat mempermudah

ketel uap untuk menghasilkan uap tanpa melakukan proses

pemanasan awal dan menghemat pemakaian bahan bakar.

Dimana gas asap yang masih panas dapat dimanfaatkan untuk

memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam

drum ketel, sehingga air telah dalam keadaan panas, sekitar

30oC sampai 50oC dibawah temperatur mendidihnya.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam perencanan ketel uap:

temperatur dan tekanan kerja ketel,

kapasitas ketel,

jenis bahan bakar,

air isian ketel,

biaya pembuatan, operasi dan pemeliharaan

Analisa perpindahan panas

a. Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan panas yang

dilakukan oleh molekul – molekul suatu fluida yang gerakannya melayang

– layang membawa sejumlah panas, pada saat molekul fluida tersebut

menyentuh dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, dan sisanya

meninggalkan dinding.

Jumlah panas yang disalurkan secara konveksi (Q) adalah:

Q = h . A ( Tw - T∞ )………………(1)

dimana :

Q = jumlah kalor yang disalurkan secara konveksi ( KJ/jam ).

h = koefisien kalor konveksi ( KJ/m2 jam oC)

A = luas bidang yang dipanasi ( m2)

∆T = selisih temperatur (oC)

Untuk mencari besarnya nilai koefisien kalor konveksi ( h ) diperlukan data

yaitu : besarnya kecepatan fluida, viskositas dan besaran lainnya.

Langkah pertama yang dilakukan adalah mencari angka Reynolds, yang

digunakan untuk mancari angka Nusselt.

Gambar 1. Tabung pipa segaris

Gambar 2. Tabung pipa selang-seling

Besaran Umax adalah :

Umax = U∞ n

……..(2)

dimana :

U∞ = kecepatan fluida (m/s)

Sn = jarak baris (m)

d = diameter pipa (m)

Besaran angka Reynolds plat adalah :

Re =

………………(3)

dimana :

Umax = kecepatan maksimum fluida (m/s)

d = diameter pipa (m)

µ = viskositas dinamik fluida ( kg/m.s)

= massa jenis fluida ( kg/m3)

Maka besarnya angka Nusselt :

NU = C Pr1/3 x Ren………(4)

dimana :

Pr = angka prandtl, diperoleh dari tabel berdasarkan temperatur.

Re = angka Reynolds

Mencari C dan n :

;

, sehingga C dan n dapat dicari pada tabel.

dimana :

Sn = jarak baris

Sp = jarak kolom

d = diameter pipa

Setelah angka Nusselt didapatkan, maka dapat dihitung koefisien kalor

konveksi (h) berdasarkan persamaan Nusselt yaitu :

Nu =

……………………(5)

h =

…………………(6)

dimana :

k = koefisien konduktifitas (KJ/jam m oC)

D = Diameter pipa (m)

b. Konduksi

Perpindahan panas pada benda yang bertemperatur tinggi ke benda

yang bertemperatur rendah dan tanpa terjadinya perpindahan molekul –

molekul dari benda itu sendiri.

Qp =

…………(7)

dimana :

Qp = jumlah kalor yang disalurkan secara konduksi ( KJ/jam )

k = koefisien konduktansi bahan ( KJ/m jam oC)

∆x/∆T = gradien temperatur dalam arah aliran panas (-k/m)

A = luas penampang yang terletak pada aliran panas.

= π.D.L.(a.b)……(8)

dimana :

D = diameter pipa (m)

L = panjang silinder (m)

a = jumlah baris

b = jumlah kolom

Nilai Kalor Pembakaran Bahan Bakar

adalah jumlah kalor yang dihasilkan oleh pembakaran unsur-unsur

yang terkandung dalam bahan bakar tiap satu satuan massa bahan bakar.

Nilai pembakaran bahan bakar dibedakan menjadi dua yaitu :

a. Nilai kalor pembakaran tinggi (High Heating Value), yaitu

perhitungan pembakaran bahan bakar, dimana uap air yang

terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan dahulu, sehingga

panas pengembunan ikut dihitung dan dinilai sebagai panas

pembakaran yang terbentuk. High Heating Value (HHV) dengan

persamaan sebagai berikut : ( Muh, Syamsir : 160)

HHV = 33950 ( C ) + 144200 ( H2 )

b. Nilai kalor pembakaran rendah (Low Heating Value), yaitu

perhitungan pembakaran bahan bakar yang dimana uap air yang

terbentuk dari pembakaran tidak perlu dicaikan dahulu, sehingga

panas pengembunan tidak perhitungkan sebagai panas

pembakaran bahan bakar. Low Heating Value (LHV) dengan

persamaan sebagai berikut : ( Muh, Syamsir : 161 )

LHV = HHV – 2411 ( M + 9 H2 )

KESIMPULAN

a. Air isian ketel uap harus bersih dengan cara water treatment,

karena air isian yang kotor dapat menyebabkan timbulnya kerak

pada dinding pipa – pipa didih, sehingga proses perpindahan panas

semakin menurun dengan bertambahnya tebal dari dinding pipa –

pipa didih tersebut.

b. Bahan bakar bampas tebu yang mempunyai nilai kalor

pembakaran terendah (LHV) sebesar 4.743,206 Btu/lb dapat

menghasilkan temperatur pembakaran 3808oF, sehingga akan

dihasilkan uap sebesar 88.184 lb/jam pada tekanan 249,83 Psi,

sehingga dapat digunakan untuk menggerakan turbin.

c. Ekonomiser dapat meningkatkan temperatur air pasokan, sehingga

dibutuhkan sedikit energi pemanas yang mengakibatkan hemat

bahan bakar.

SARAN

Pada perencanaan ketel uap pipa air dengan kapasitas 40 ton/jam,

tekanan 17 atm, dan temperatur 350 oC, penulis mengambil dasar

kajian teroritis dari buku dan mengambil dari kajian praktis yang di

dapat dari lapangan. Mungkin karena keterbatasan pengetahuan dan

kemampuan penulis , ada banyak hal yang tidak dapat penulis

sebutkan, maka itu masih banyak diperlukan penyempurnaan dalam

perencanaan ini.

Perencanaan ini digunakan sebagai referensi perencanaan lebih

lanjut, maka diperlukan keakurasian dalam melakukan analisis

perhitungan. Sehingga dapat dijadikan referensi perencanaan

lanjutan. Dalam perencanaan perlu diperhatikan adalah konstruksi

ketel, karena konstruksi sangat penting, kontruksi dibuat se-ekonomis

mungkin namun kekuatan materialnya besar.

DAFTAR PUSTAKA

ASME. 1983. Boiler And Pressure Vessel Code. Section 1

Babcock and Wilcox. 1978, Steam Its Generations And Use. Edisi 39. New York: The Babcock And Wilcox Company.

Borras, Thomas Garcia. 1983. Boiler and Furnace Perfomance. Houston Texas: Gulf Publising Company

Hardjono. 1987. Teknik Minyak Bumi I . Teknik Kimia Fakultas Teknik UGM.

Maleev, V. L. 1987. Internal Combustion Engines. Edisi kedua. Singapore: Mc. Graw-Hill Book Company.

Muin, Syamsir A. 1986. Pesawat-Pesawat Konversi Energi I ( Ketel Uap ). Edisi pertama. Jakarta: Rajawali Pers.

Prijono,Arko. 1997. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Jakarta: Erlangga

Raswari. 1986. Teknologi Dan Perencanaan Perpipaan. Cetakan ketiga. Jakarta: UI press.

Roberson, JM dan Kent, PL. Boiler Operation, Thirt edition. New York: Mc. Graw Hill co.

Setyardjo, Djoko.1993. Ketel Uap. Cetakan ketiga. Jakarta: PT Pradnya Paramita.

Surbakty, B. M. 1985. Pesawat Tenaga Uap I Ketel Uap. Surakarta: Mutiara Solo.