ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR PADA KETEL UAP Yopi Handoyo Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas "45" Bekasi E-mail : handoyoyopi@yahoo.com Abstrak Pada dunia industri terutama pada sektor produksi makan, banyak yang menggunakan alat penukar kalor sebagai suatu media untuk salah satu cara menghemat pemakaian bahan bakar. Dengan kenaikan temperatur air umpan pada alat penukar kalor sebesar 133 0 C sampai dengan 139 0 C dan jumlah bahan bakar yang digunakan sebesar 50% sampai dengan 100% maka dapat menghemat bahan bakar sebesar 6,23 %. Tetapi berbeda jika pada mesin tersebut tidak menggunakan alat penukar kalor, maka boiler tersebut akan menghasilkan uap panas yang tidak pakai/terbuang sia-sia. Oleh karena itu, uap panas tersebut dimanfaatkan untuk pemanasan air pada alat penukar kalor sebesar 103 0 C sementara uap panas yang terdapat di bolier sebesar 249 0 C. Kata kunci : Boiler, uap panas, penghematan bahan bakar 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 80 % ketel uap masih tetap dominan untuk dipergunakan (Disnakertrans Kab.Bekasi, bagian pengawasan dan keselamatan, 2011). Dimana ketel uap dipakai sebagai mesin produksi baik secara langsung maupun tidak langsung. Boiler (Ketel uap) adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk uap (steam).untuk menghasilkan panas yang digunakan dalam pemanasan air tersebut diperlukan bahan bakar yaitu solar (HSD). Gas asap hasil dari pembakaran tersebut mempunyai temperatur yang masih tinggi, sehinngga akan merupakan kerugian panas yang besar jika asap tersebut langsung dibuang melalui cerobong. Namun demikian masih banyak ketel uap yang belum memanfaatkan gas asap panas hasil pembakaran tersebut. Gas asap ini dapat dimanfaatkan untuk menaikan temperatur air umpan sebelum dimasukkan ke dalam Drum/Ketel, sehingga pemakaian bahan bakarnya lebih hemat untuk menghasilkan uap yang digunakan dalam proses produksi. Untuk itu diperlukan suatu alat penukar panas yaitu ekonomiser. Air Umpan sebelum masuk ke dalam ketel harus melalui alat penukar panas yang memanfaatkan panas asap pembakaran ini, sehingga temperatur air umpan tersebut naik. Studi pustaka Bagian bagian utama Ketel Uap Boiler atau ketel uap terdiri dari berbagai komponen yang membentuk satu kesatuan sehingga dapat menjalankan operasinya, diantaranya: 1. Furnace (Lorong api) Komponen ini merupakan tempat pembakaran bahan bakar. Beberapa bagian dari furnace diantaranya: refractory, ruang perapian, burner, exhaust for flue gas, charge and discharge door. Ruang bakar atau lorong api ini digunakan untuk memanaskan air. Diameternya kurang dari 1 meter. Api yang dihasilkan adalah hasil pengabutan dari bahan bakar, udara dan bahan lain yaitu LPG serta dengan bantuan elektroda untuk penyalaan awal. Api yang dihasilkan tersebut dihembuskan ke seluruh lorong api oleh motor blower dan melewati pipa-pipa api sampai terjadi proses penguapan.biasanya lorong pipa api di dalam ketel uap/boiler dibuat bergelembung memanjang dengan tujuan: Menghambat jalannya panas atau gas dari hasil reaksi pembakaran. Memperluas bidang yang dipanaskan. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE01-1
2. Steam Drum / Ketel Komponen ini merupakan tempat penampungan air panas dan pembangkitan steam. Steam masih bersifat jenuh (saturated steam). Tangki atau drum sering disebut juga badan ketel uap yaitu tempat beroperasinya ketel uap di dalamnya terdapat instrumen-instrumen yang menjalankan proses pemindah panas seperti lorong api dan pipa api, dalam badan ketel inilah sejumlah air ditampung untuk dipanaskan. 3. Pipa Api Adalah pipa-pipa dengan diameter 55 mm yang berfungsi sebagai jalur aliran gas panas yang berfungsi untuk memanaskan air agar berubah menjadi uap. 4. Burner Yaitu perangkat dari ketel uap yang berfungsi menyemprot bahan bakar ke dalam ruang pembakaran sehingga pembakaran mudah terjadi. 5. Cerobong Asap Yaitu perangkat dari ketel uap yang berfungsi meneruskan atau membuang asap sisa reaksi pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar ketel uap/boiler dengan tujuan menyalurkan gas asap bekas supaya tidak mengotori atau mengganggu lingkungan sekitar. Ekonomiser dalah alat penukar panas yang memanfaatkan gas asap panas hasil dari pembakaran pada ketel uap untuk memanaskan air umpan sebelum masuk ke dalam ketel uap dan gas asap panas sebelum dibuang ke udara bebas. Berikut ini adalah keuntungan-keuntungan menggunakan ekonomiser: 1. Meningkatkan kapasitas menghasilkan uap karena memperpendek waktu yang diperlukan untuk merubah air ke uap. 2. Mencegah pembentukan kerak di dalam pipa air ketel, sebab kerak sekarang mengendap di pipa ekonomiser yang bisa dengan mudah dibersihkan. 3. Karena air umpan memasuki ketel panas, sehingga regangan karena ekspansi yang tidak sama bisa diminimasi. Energi panas yang diserap oleh air di ekonomiser adalah : Q = air.c p air ( T air keluar -T air masuk ) (1) Dimana : ṁ C p T :Laju aliran air yang dipanaskan di dalam ekonomiser (kg/jam) : Panas spesifik dari fluida air (kj/kg. C) :Temperatur ( C) Sedangkan Energi panas yang diberikan oleh gas buang adalah : Q = gas. C p gas ( T gas masuk -T gas keluar ) (2) (Djokosetyarjo.M.J.(2006).Ketel Uap, Jakarta:Pradnya Paramita) Gambar 1. Ekonomiser Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE01-2
Biro Efisiensi Energi tahun 2004 menyatakan bahwa sebuah economizer dapat dipakai untuk memanfaatkan panas gas buang untuk pemanasan awal air umpan boiler. Kinerja economizer ditentukan oleh fluida yang mempunyai koefisien perpindahan panas yang rendah yaitu gas. Kecepatan perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan panas total dengan cara mengatur susunan tubing/properti fin dan meningkatkan luas kontak perpindahan panas. Respon yang dihasilkan oleh economizer adalah efektifitas perpindahan panas dan biaya operasi. Efektifitas perpindahan panas adalah besarnya energi yang dapat terambil dari total jumlah energi yang dapat diserap. Semakin besar efisiensi perpindahan panas pada economizer, maka panas gas sisa yang terambil akan semakin banyak. Semakin besar efektivitas perpindahan panas yang terjadi, maka alat tersebut semakin efisien. Metodologi penelitian Mulai Survey Lapangan Pengumpulan Data Studi Literatur dan pengolahan data Perencanaan alat dan analisa Tidak Pemakaian Bahan Bakar 50-100 % 55 Ya Kesimpulan Selesai Gambar 2. flowchart Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE01-3
Gambar 3.Mesin Ketel Uap dengan economizer Hasil dan pembahasan Dari hasil pengambilan data untuk ketel uap LOOS sebelum di pasang Ekonomiser di dapat : m (Jumlah steam yang dihasilkan per jam) =2552 kg (Load 50%) q (Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam) = 184,5 liter GCV untuk minyak Diesel =10600 kkal/kg t (Suhu air umpan awal/mula) =103 C η (Efisiensi )didapat dari Burner indicator =90% Cp (Kapasitas panas) =4.18 kj/kg K Dari hasil pengambilan data untuk ketel uap LOOS setelah di pasang Ekonomiser di dapat : m (Jumlah steam yang dihasilkan per jam) =2552 kg (Load 50%) GCV untuk minyak Diesel (tabel A) =10600 kkal/kg t (Suhu air umpan sebelum ekonomiser) =103 C t (Suhu air umpan setelah ekonomiser) =133 C η (Efisiensi ) =90% Cp (Kapasitas panas), tabel C =4.18 kj/kg K Tabel 1. Data pemakaian bahan bakar ketel uap sebelum menggunakan ekonomiser Load (m) (kg/jam) 2552 50% 3006 60% 3496 70% 3958 80% 4486 90% 5000 100% Temperatur Air Umpan ( C) 103 103 103 103 103 103 Pemakaian Bahan Bakar (l) 184,5 216,6 253 285 320 360 Tabel 2. Hasil perhitungan penghematan pemakaian bahan bakar ketel uap LOOS Load (m) (kg/jam) 2552 50% 3006 60% 3496 70% 3958 80% 4486 90% 5000 100% Temperatur Air Umpan ( C) 133 134 135 136 137 139 Pemakaian Bahan Bakar (l) 175 205 239 268 301 338 Efisiensi Bahan Bakar (%) 5,17 5,34 5,51 5,7 5,94 6,23 Dari tabel hasil perhitungan tersebut maka bisa diperbandingkan dan digambarkan dengan grafik di bawah ini: Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE01-4
Perbandingan Pemakaian bahan bakar antara sebelum dan sesudah menggunakan Ekonomiser Temperatur Air Umpan 1000 800 600 400 200 0 360 320 285 184.5 216.6 253 175 205 239 268 301 338 103 103 103 103 103 103 2552 3006 3496 3958 4486 5000 Pemakaian bahan bakar sebelum menggunakan ekonomiser Pemakaian bahan bakar sesudah menggunakan ekonomiser Temperatur air Umpan Load kg/jam Gambar 4. Pemakaian bahan bakar sebelum dan sesudah menggunakan ekonomiser Kenaikan Temperatur( C) 150 145 140 135 130 125 Pengaruh Kenaikan Temperatur Air Umpan Terhadap Efisiensi Pemakaian Bahan Bakar Ketel Uap Kenaikan Temperatur Air Umpan ( C) Efisiensi Bahan Bakar (%) 5.17 5.34 5.51 5.7 5.94 133 134 135 136 137 Gambar 5. Efisiensi pamakaian bahan bakar 6.23 139 2552 3006 3496 3958 4486 5000 Load kg/jam Kesimpulan 1. Besarnya temperatur uap yang keluar dari boiler dapat dimanfaatkan untuk pemanasan air, dimana air tersebut akan dimasukkan kedalam alat penukar kalor. 2. Dengan adanya ekonomiser sehingga terjadi penghematan bahan bakar sebesar 7 %. Daftar pustaka Djokosetyarjo.M.J.(2006).Ketel Uap, Pradnya Paramita: Jakarta. Holman.J.P.,Jasjfi.E.(1997).Perpindahan Kalor, Erlangga:Jakarta. Kakać, Hongtan Liu (2002).Heat Exchangers selection,rating and Thermal Design,CRC press. Kern,D.Q.(1950).Process Heat Transfer,International StudentEdition:McGraw-Hill. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE01-5
Loodwit Ordonanntie.1931.No.509.Undang Undang dan Peraturan Uap 1930. Disnakertrans: Jakarta. LOOS International (2010).Operating Instruction, Germany. Michel.A.Saad(2000).Termodinamika,Prinsip dan Aplikasi, Edisi Bahasa Indonesia, Jilid 1, PT Prenhallindo:Jakarta. Ramesh K. Shah and Dušan P,Sekulić (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design,John Wiley &sons,inc Yunus A.Cengel and Michael A.Boles (2002).Thermodynamics an Engineering Approach, Fourth Edition :McGraw-Hill. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE01-6