BAB II TINJAUAN PUSTAKA II. 1 Pengertian Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiling) Ketel ini adalah merupakan salah satu jenis dari pada ketel yang ditinjau dari sumber panas (Heat Source) untuk pembuatan uap dengan menggunakan elemen pemanas. Fungsi dari ketel pada umumnya untuk mengubah air menjadi uap, dimana uap ini diperoleh dengan memberikan sejumlah kalor terhadap air yang merupakan bahan bakarnya dengan perkataan lain merupakan pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi listrik dari elemen pemanas menjadi energi panas (uap) yang selanjutnya dapat digunakan untuk kepentingan pada proses industri (dapat digunakan sebagai pembangkit listrik melalui turbin dan dapat dimamfaatkan untuk proses pengolahan pada suatu pabrik industri). Ketel bertenaga listrik pada dasarnya terdiri dari suatu bejana bertekanan dimana didalamnya terdapat rangkaian elemen-elemen pemanas yang dialiri oleh arus listrik. Ketel bertenaga listrik ini merupakan pembangkit tenaga uap yang sangat sederhana sekali, dan terbatas hanya untuk tekanan uap yang relatif rendah. II. Klasifikasi Ketel Ketel pada dasarnya terdiri dari drum yang tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembanganya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang masing-masing.
Dalam hal ini ketel diklasifikasikan dalam kelas yaitu : 1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel diklasifikasikan sebagai : a. Ketel pipa api (Fire tube boiler), fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala yang membawa energi panas yang segera mentransfernya ke air ketel melalui bidang pemanas. b. Ketel pipa air (Water tube boiler), fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi panas ditransferkan dari luar pipa ke air ketel.. Berdasarkan pemakaiannya, ketel dapat diklasifikasikan sebagai : a. Ketel Stasioner (stasionary boiler) yaitu ketel-ketel yang didudukan diatas pondasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, industri dan lain-lain. b. Ketel Mobil (Mobile boiler) yaitu ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindah-pindah seperti boiler lokomotif dan loko mobil. Gambar.1 ketel lokomotif dan loko mobile 3. Berdasarkan letak dapur (Furnace position), ketel uap diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Ketel dengan pembakaran dalam (internally fired steam boiler), kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini. b. Ketel dengan pembakaran luar (outternally fired steam boiler), kebanyakan ketel pipa air memakai system ini. 4. Menurut jumlah lorong (boiler tube), ketel diklasifikasikan sebagai : a. Ketel dengan lorong tunggal (single tube steam boiler). Pada ketel ini hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air saja contoh : Cornish boiler dan simple vertical boiler. b. Ketel dengan lorong ganda (multi tube steam boiler). Misalnya ketel B dan W. Gambar. ketel B dan W 5. Tergantung kepada poros tutup drum (shell), ketel diklasifikasikan sebagai : a. Ketel tegak (vertikal steam boiler), seperti Ketel Cochran, Clarkson. b. Ketel mendatar (harizontal steam boiler), seperti ketel Cornish, Lancashire, Scotch dan lain-lain.
Gambar.3 ketel Scotch. 6. Menurut bentuk dan letak pipa, ketel uap diklasifikasikan sebagai : a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok dan berlekuk (straight, bent and sinous tube heating surfance). b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring tegak (harizontal, inclined or vertical tube heating surface). 7. Menurut sistem peredaran air ketel (water sirkulation), ketel uap diklasifikasikan sebagai : a. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler), peredaran air dalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedangkan air yang berat turun, sehingga terjadi konveksi secara alami. Contoh ketel Lancarshire, ketel B &W
b. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler), aliran paksa diperoleh dari sejumlah pompa sentrifugal yang digerakan dengan elektrik motor. Contoh La-mont boiler, Benson boiler, Loeffer boiler dan Vencal boiler. Gambar.4 Ketel Benson 8. Tergantung kepada sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai : a. Ketel dengan bahan bakar alami Contoh dari bahan bakar alami adalah bahan bakar kayu (wood), sekam padi (rice husk), serutan kayu (sawdust), batubara coklat (lignite), batubara bituminous (seperti aspal), batubara jenis antrasit (antrasite coal). b. Ketel dengan bahan bakar buatan. Contoh dari bahan bakar buatan adalah bahan bakar arang kayu (wood charcoal), kokas (coke), briket (briquette), ampas (misal serabut kelapa sawit atau ampas tebu)
c. Ketel dengan dapur listrik Ketel dengan dapur listrik yaitu ketel dengan menggunakan energi listrik dimana terdapat elemen pemanas sebagai pemanas air ketel. d. Ketel dengan energi panas. Energi panas yang diperoleh dapat berupa energi panas matahari ataupun energi panas bumi. II. 3 Susunan umum dari Ketel Supaya konstruksi dari ketel dapat dipahami betul-bentul, haruslah diketahui sifat-sifat dari uap dan pristiwa pembentukan pada uap, dalam bentuknya yang sederhana, dapat dimisalkan ketel uap sebagai tong logam yang sebahagian berisi dengan air. Air merupakan fluida yang sukar untuk merambat panas, sehingga dengan demikian perpindahan panas didalam air yang ada didalan ketel uap hampir berlangsung secara konveksi. Bila didalam sebuah tempat terdapat air dingin didalamnya, yang kemudian dipanasi pada bagian bawahnya maka air akan menjadi panas. Air menjadi panas karena berat jenisnya menjadi berkurang, maka akan naik keatas. Dibekas tempatnya akan digantikan oleh air dingin dibagian atas, yang berat jenisnya lebih besar dibandingkan dengan air panas tersebut. Air yang tidak turut beredar dalam ketel dinamai air yang tidak bersirkulasi, jadi temperatur air ini tidak secepat air yang beredar naiknya. Ini dapat membahayakan bagi ketel karena dinding ketel juga tidak akan rata panas. Pemuaian ketel tidak sama dan karena ini mungkin terjadi tekanan-tekanan yang besar dalam pelat-pelat ketel ataupun pada sambungan-sambungannya.
Gambar.5 Air yang tidak bersirkulasi Gambar.5 memperlihatkan bagai mana pengaruh letak pemanas pada peredaran air. Ketika seluruh temperatur air 100 ºC, gelembung-gelembung uap yang dibentuk dalam seluruh zat cair, sampai pada permukaan dan lepas dari zat cair, karena tong ini terbuka, uap yang terbentuk lepas keluar melalui bahagian yang terbuka. Dikatakan sekarang air mendidih. Jadi mendidih adalah suatu peristiwa dimana pembentukan uap terjadi didalam seluruh massa zat-cair. Titik didih dari suatu zat cair tergantung kepada tekanan yang dilakukan pada permukaan zat cair. Pada tong yang terbuka, tekanan udara luar yang dilakukan pada permukaan air, besarnya 1 atmosfer (1,033 kg / cm ) pada tekanan ini air mendidih pada 100 ºC, kalau tekanan lebih besar dari 1 atm umpamanya 5 kg / cm, air akan mendidih pada temperatur 151,1 ºC. Bila tekanan rendah dari 1 atm, umpamanya 0,1575 kg / cm air mendidih pada temperatur 50 ºC. Kalau pada gambar.5 diteruskan pemanasan sesudah air sesampai kepada titik didihnya akan terjadi bahwa temperatur air tidak akan lebih 100 ºC. Untuk mengubah 1 kg air dari 100 ºC air menjadi 100 ºC uap perlu 537 kilo kalori dinamai panas laten.
II.4 Dasar-dasar Perhitungan Kekuatan Konstruksi. Didalam pengoperasian ketel, terdapat bagian-bagian yang harus menahan tekanan yang ditimbulkan oleh uap yang bertekanan. Bagian-bagian ini harus diamati secara tepat agar dapat menerima beban tekanan cukup kuat. Kekuatan bahan harus diperhitungkan sesuai dengan kondisi operasi yang akan berlangsung, untuk itu penilaian bahan yang akan digunakan harus benarbenar diteliti untuk memberikan informasi yang akurat serta perangkat peralatan pengaman yang menjamin bahwa ketel tersebut bekerja pada kondisi yang telah diperhitungkan. II.4.1 Perhitungan tebal dinding plat Dimana perhitungan tebal dinding plat dapat ditentukan dari rumus dibawah ini : do 4F p di...(.1) Dimana : p = Tekanan Kerja (kg / mm ) F = Gaya tekan (kg) di = Diameter dalam tabung (mm) do = Diameter luar tabung (mm) Gaya tekan diperoleh dari : F pa p...(.) 4 di Sehingga untuk tebal plat (mm) : do di t atau 4F p t di 1 di
II.4. Perhitungan kekuatan baut dan mur Baut dan mur merupakan alat pengikat atau penggerak yang sangat penting. Dalam gambar.6 diperlihatkan macam-macam kerusakan yang dapat terjadi pada baut. gambar.6 macam-macam kerusakan pada baut Untuk menentukan ukuran baut dan mur, berbagai faktor yang harus diperhatikan seperti gaya yang bekerja pada baut, syarat kerja, kekuatan bahan, kelas ketelitian dan lain-lain. Adapun gaya-gaya yang bekerja pada baut dapat berupa : i) Beban statis aksial murni ii) Beban aksial, bersama dengan beban puntir iii) Beban geser iv) Beban tumbukan aksial Dalam hal ini persamaan yang berlaku adalah : F...(.3) t 4 d 1 dimana F (kg) adalah beban tarik atau tekan pada baut, t adalah tegangan tarik yang terjadi dibagian yang berulir pada diameter inti d 1 (mm) pada sekrup atau
baut yang mempunyai diameter luar d.umumnya diameter inti d 1 0,8d sehingga d 0, 64 d1 maka : t F 4 0, 8d izin...(.4) dari persamaan.3 dan.4 maka : d 4F F atau d...(.5) 0,64 izin izin harga izin tergantung pada macam bahan yaitu SS, SC atau SF. Jika difinising faktor keamanannya dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya 8-10. Bila jumlah ulir n dan tinggi mur h maka dapat dihitung dari persamaan berikut : t 4 ( d F d 1 ) n izin...(.6) maka jumlah ulir adalah : F n ( d d )...(.7) 4 1 izin h np dimana p adalah kisar menurut standart h ( 0,8 1,0) d Dalam konstruksinya bagian ujung tabung ditutup dengan penutup dimana sambungan antara penutup dengan dinding tabung digunakan sebuah baut. Maka gaya tarik yang terjadi pada baut adalah : F baut F uap n...(kg) Dimana : n = jumlah baut
Sementara F baut dapat diperoleh dari : F baut izin Ab...(kg) Dimana : Ab = luas penampang baut (mm ) izin = tegangan izin baut (kg / mm ) Jadi jumlah baut (n) : Fuap n...(.8) Ab izin II. 5 Perpindahan Kalor dalam Instalasi Uap Didalam ketel terdapat perpindahan kalor dari sumber panas terhadap bidang pemanas, dari bidang pemanas dihantarkan lagi ke air secara konveksi. Pindahan kalor secara konduksi dari sebahagian panas diabaikan. II.5.1 Perpindahan Kalor Konveksi Sudah umum diketahui bahwa plat logam panas akan menjadi dingin lebih cepat bila ditaruh didepan kipas angin dibandingkan dengan bilamana ditempatkan diudara tenang. Proses ini dinamakan Perpindahan-kalor secara konveksi. Perhatikan plat panas seperti pada gambar.7. Suhu plat ialah Tw, dan suhu fluida T~. Kecepatan aliran adalah seperti tergambar, yaitu nol pada muka plat sebagai akibat aksi kental (viscous action). Oleh karena kecepatan lapisan fluida pada dinding adalah nol, maka di sini kalor hanya dapat berpindah dengan cara konduksi saja. Jadi kita dapat menghitung perpindahan kalor, yaitu dengan persamaan (.9), dengan menggunakan konduktivitas termal fluida dan gradien suhu fluida pada dinding. Jadi, gradien suhu pada dinding bergantung dari medan aliran, dan di dalam analisis nanti, perlu dikembangkan persamaan yang
menghubungkan kedua besaran itu. Namun, perlu diingat bahwa mekanisme fisis pada dinding itu berupa proses konduksi. Guna menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh, digunakan hukum Newton tentang pendinginan: q ha ( Tw T )...(.9) (Lit :4 hal:11) Dimana : q = Laju pindahan kalor (W) h = Koefesien pindahan kalor konveksi (W/m ºC) A = Luas permukaan (m ) T w = Suhu plat (ºC) T~ = Suhu fluida (ºC) Di sini laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A. Besaran h disebut koefisien perpindahan-kalor konveksi (convection heat-transfer coefficient), dan persamaan (.9) itulah rumus dasarnya. Dapat dilakukan perhitungan analisis atas h untuk beberapa sistem. Aliran u~ u T~ q Arus bebas Tw Dinding Gambar.7 Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat Untuk situasi yang rumit h harus ditentukan dengan percobaan. Koefisien perpindahan kalor kadang-kadang disebut konduktans film (film conductance) karena hubungannya dengan proses konduksi pada lapisan fluida diam yang tipis pada muka dinding. Dari persamaan (.9) dapat dilihat bahwa satuan h ialah watt
per persegi per derajat celcius. Dari pembahasan diatas, dapatlah diharapkan bahwa perpindahan kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida. Jika suatu plat panas dibiarkan berada diudara sekitar tanpa ada sumber gesekan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradien densitas didekat plat itu. Peristiwa ini dinamakan Konveksi alamiah untuk membedakannya dengan konveksi paksa yang terjadi apabila udara itu dehembuskan diatas plat itu dengan kipas Tabel.1 Nilai kira-kira koefesien perpindahan kalor konveksi h Modus W/m.ºC Btu/h.ft. ºF Konveksi bebas,δt = 30 ºC Plat vertikal, tinggi 0,3 m(1 ft) di udara Silinder harizontal, diameter 5 cm di udara. Silinder harizontal, diameter cm dalam air Konveksi paksa Aliran udara m/s diatas plat bujur sangkar 0, m Aliran udara 35 m/s diatas plat bujur sangkar 0,75 m Udara atm mengalir didalam tabung diameter,5 cm, kecepatan 10 m/s Air 0,5 kg/s mengalir di dalam tabung,5 cm Aliran udara melintas silinder diameter5cm,kecepatan50m/s Air mendidih Dalam kolam atau bejana Mengalir dalam pipa Pembuangan uap air, 1 atm Muka vertikal Di luar tabung harizontal (Lit : 4 hal : 1) 4,5 6,5 890 1 75 65 3500 180 500-35000 5000-100000 4000-11300 9500-5000 0,79 1,14 157,1 13, 11,4 616 3 440-600 880-17600 700-000 1700-4400
II.5. Perpindahan Kalor Konduksi Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu (Temperatur Gradient), maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi kebagian bersuhu rendah. Dapat dikatakan bahwa energi berpindah secara konduksi berbanding dengan gradien suhu normal : q A T ~...(.10) x Jika dimasukkan konstanta proposionalitas atau tetapan kesebandingan, maka : T q KA...(.11) x Dimana q adalah laju perpindahan kalor dan T x merupakan gradien suhu ke arah perpindahan kalor. Konstanta positif k disebut konduktifitas thermal benda, sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum thermodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah. Pada persamaan (.10) disebut juga hukum Fourier tentang konduksi kalor, yaitu menurut nama ahli matematika fisika bangsa Perancis, Joseph Fourier yang telah memberi sumbangan yang sangat penting dalam pengolahan analisis masalah perpindahan kalor konduksi. II.5..1 Bidang Silinder Perhatikan suatu silinder panjang dengan jari-jari dalam r i, jari-jari luar r O, dan panjang L, seperti pada gambar.8. Silinder mengalami beda suhu T i - T o. Untuk silinder yang panjangnya sangat besar dibandingkan dengan diameternya, dapat diandaikan bahwa aliran kalor berlangsung menurut arah radial, sehingga koordinat ruang yang diperlukan untuk menentukan sistem ini adalah r. Hukum
Fourier digunakan lagi dengan menyisipkan rumus luas yang sesuai. Luas bidang aliran kalor dalam sistem silinder adalah A r rl Sehingga hukum Fourier menjadi q r ka r dt dr q q ro ri r dr L Ti R th ln( ro / ri) kl To Gambar.8 Aliran kalor satu-dimensi melalui silinder bolong dan analogi listriknya dt Atau q r krl...(.1) dr Dengan kondisi batas T= T i pada r = r i T = T o pada r = r o Penyelesaian persamaan.1 adalah kl( T i To ) q...(.13) (Lit : 4 hal : 30) ln( r o / r ) i
Dimana: q = laju perpindahan kalor (W) k = konduktifitas thermal benda (W/m.ºC) L = panjang benda (m) ( Ti To ) = beda temperatur di dalam silinder dengan luar silinder (ºC) r o = jari-jari luar silinder (m) r i = jari-jari dalam silinder (m) Konsep tahanan thermal dapat juga digunakan untuk dinding lapis rangkap berbentuk silinder, seperti halnya dengan dinding datar. Untuk sistem tiga lapis seperti pada gambar.8 penyelesaiannya adalah : L( T T ) q...(.14) ln( r ln( r / r ) / k 1 4 / r1 ) / k A ln( r3 / r ) / k B 4 3 C Sistem berbentuk bola dapat ditangani sebagai suatu dimensi apabila suhu berfungsi sebagai jari-jari saja aliran kalornya menjadi : q 4 k( T T ) i o...(.15) 1/ r 1/ r i o q r1 T1 A B C r T r3 T3 r4 T4 q RA RB RC T1 T T3 T4 ln( r / r1) ln( r 3/ r) ln( r 4 / r3) k L k L k L A B C Gambar.9 Aliran kalor satu-dimensi melalui penampang silinder dan analogi listriknya
II.6 Konduktivitas Termal Persamaan.9 merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal. Berdasarkan rumus itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan nilai kondiktivitas termal berbagai bahan. Untuk meramalkan konduktivitas termal zat cair dan zat padat ada teori-teori yang digunakan dalam berbagai situasi tertentu. Mekanisme konduktivitas termal pada gas cukup sederhana. Energi kinetik molekul ditunjukan oleh suhunya, jadi pada bagian bersuhu tinggi molekul-molekul mempunyai kecepatan yang lebih tinggi dari pada yang berada dibagian yang bersuhu rendah, molekul-molekul ini selalu berada dalam gerakan acak saling bertumbukan satu sama lain dinama terjadi pertukaran energi dan momentum. Jika suatu molekul bergerak dari daerah yang bersuhu tinggi kedaerah yang bersuhu rendah, maka molekul itu akan mengangkut energi kebagian sistem suhu yang lebih rendah Nilai konduktivitas termal beberapa bahan diberikan pada tabel. dibawah ini.
Tabel. Konduktivitas Termal Logam Perak (murni) Tembaga (murni) Konduktivitas termal Bahan W /m.ºc Btu/h.ft. ºF Alumunium (murni) Nikel (murni) Besi (murni) Baja karbon Timbal (murni) Baja krom nikel (18% Cr, 8%Ni) Bukan logam Kuarsa Magnesit Marmar Batu pasir Kaca jendela Kayu mapel Serbuk gergaji Wol kaca Zat cair Air raksa Air Amonia Minyak lumas SAE 50 Freon 1, CCl F Gas Hidrogen Helium Udara Uap air Karbon dioksida (Lit : 4 hal : 7) 410 385 0 93 73 43 35 16,3 41,6 4,15, 08-,94 1,83 0,78 0,17 0,59 0,038 37 3 117 54 4 5 0,3 9,4 4,4 1,-1,7 1,06 0,45 0,096 0,034 0,0 8,1 4,47 0,556 0,37 0,540 0,31 0,147 0,085 0,073 0,04 0,175 0,141 0,04 0,006 0,0146 0,101 0,081 0,0139 0,0119 0,00844