Analisa Efisiensi Bahan Bakar Pada Boiler Pipa Api Kapasitas 1 Ton/Jam Menggunakan Bahan Bakar Solar Dan Gas Di PT. X

Laporan Tugas Akhir Analisa Efisiensi Bahan Bakar Pada Boiler Pipa Api Kapasitas 1 Ton/Jam Menggunakan Bahan Bakar Solar Dan Gas Di PT. X Diajukan Untuk Melengkapi Tugas dan Memenuhi Syarat-Syarat Guna Menyelesaikan Pendidikan Program Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknoogi Industri Di susun oleh : Heru Susanto 01 303-005 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2008

LEMBAR PERNYATAAN Nama : Heru Susanto Nim : 01303-005 Program Study : Teknik Mesin Fakultas : Teknologi Industri Dengan ini menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir ini adalah hasil karya saya sendiri dan bukan salinan atau duplikat dari orang lain, kecuali pada bagian yang telah disebutkan sumbernya dalam daftar referensi. Jakarta, Juli 2008 Penulis ( Heru Susanto ) Heru Susanto 01303-005 i

LEMBAR PENGESAHAN ANALISA EFISIENSI BAHAN BAKAR PADA BOILER PIPA API KAPASITAS 1 TON/JAM MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR SOLAR DAN GAS Telah Diteliti & Di setujui Oleh : Dosen Pembimbing ( Nanang Rukhyat ST. MT ) Heru Susanto 01303-005 ii

LEMBAR PENGESAHAN ANALISA EFISIENSI BAHAN BAKAR PADA BOILER PIPA API KAPASITAS 1 TON/JAM MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR SOLAR DAN GAS DI PT. X Telah Diteliti & Di setujui Oleh : Mengetahui, Koordinator Tugas Akhir ( Nanang Rukhyat ST. MT ) Heru Susanto 01303-005 iii

ABSTRAK Peranan mesin boiler di PT. X dalam proses produksi sepatu sangat penting, dimana uap yang dihasilkan oleh mesin boiler pipa api kapasitas 1 Ton ini langsung didistribusikan ke dalam mesin hot press yaitu untuk mengepres sol tapak sepatu. Untuk mengetahui efisiensi boiler digunakan metode langsung yaitu energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler atau secara rumus : Panas Keluar Efisiensi Boiler (η) = X 100% Panas Masuk Untuk meningkatkan efisiensi kerja mesin boiler tersebut ada beberapa faktor salah satunya dalam penggunaan bahan bakar. Bahan bakar yang dibahas dalam laporan ini adalah bahan bakar gas dan bahan bakar solar. Pada penggunaan bahan bakar solar nilai efisiensi mesin boiler berkisar 73,15% sampai dengan 74,39% sedangkan dengan penggunaan bahan bakar gas berkisar 82,07% sampai dengan 83,46%. Sehingga dapat dikatakan perubahan penggunaan dari bahan bakar solar ke bahan bakar gas dapat meningkatkan nilai efisiensi kerja mesin boiler sebesar 9,01 %. Dan juga faktor-faktor yang lain tidak juga harus diabaikan terutama pada perawatan komponen-komponen mesin boiler yang dapat meningkatkan efisiensi kerja mesin boiler tersebut. Kata kunci : Boiler, Efisiensi, dan Bahan Bakar Heru Susanto 01303-005 xiii

KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan hidayahnya sehingga Tugas Akhir yang berjudul Analisa Efesinsi Bahan Bakar Pada Boiler Pipa Api Kapasitas 1 Ton/Jam Menggunakan Bahan Bakar Solar dan Gas ini dapat diselesaikan. Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberi informasi kepada semua pihak. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat dukungan, bimbingan, pengarahan dan bantuan baik moral dan material. Oleh karena itu pada kesempatan ini penyusun mengucapkan terima kasih sebesar besarnya kepada : Allah SWT yang telah memberikan berbagai macam nikmat sehingga penulis diberikan kesempatan untuk mengerjakan Tugas Akhir ini. Rasulullah SAW yang telah memberikan kita contoh suri teladan yang baik. Kedua orang tua dan seluruh keluarga yang selalu memberikan doa dan restunya.. Bapak Nanang Ruhyat S.T,MT selaku koordinator Tugas Akhir dan dosen pembimbing atas bimbingannya dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Divisi Engenering di PT. Agung Pelita Industrindo Teman teman FTI khususnya jurusan Teknik Mesin UMB angkatan 2003. Semua pihak yang telah membantu penyusunan sehingga dapat menyelesaikan karya tulis ini. Penyusun menyadari bahwa karya tulis ini tidak luput dari kesalahan, sehingga penyusun mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca sekalian agar penyusun dapat menyempurnakan karya tulis ini,dan sebagai pedoman dalam penyusunan Tugas Akhir berikutnya. Heru Susanto 01303-005 iv

Akhir kata penulis selalu berusaha untuk selalu memanjatkan doa kehadirat Allah SWT, semoga dilimpahkan rahmat dan hidayah-nya kepada penulis dan kepada semua pihak yang telah membantu Sekian dan terima kasih. Jakarta, Juli 2008 Penyusun Heru Susanto Heru Susanto 01303-005 v

DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PERNYATAAN...i LEMBAR PENGESAHAN... ii KATA PENGANTAR...iv DAFTAR ISI...vi BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang...1 1.2. Maksud Dan Tujuan...2 1.3. Batasan Masalah...2 1.4. Metode penulisan...2 1.5. Sistematika Penulisan...3 BAB II. LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian Boiler...5 2.2. Komponen-Komponen Mesin Boiler...7 2.2.1. Komponen Utama.........7 2.2.2. Komponen Penunjang Lainnya......8 2.3. Perpindahan Panas...12 2.3.1. Perpindahan Panas Secara Konduksi.........12 2.3.2. Perpindahan Panas Secara Konveksi.....13 2.3.3. Perpindahan Panas Secara Radiasi......14 2.4. Sistem Kerja Boiler...16 Heru Susanto 01303-005 vi

2.5. Proses Pembentukan Uap...17 2.5.1. Uap Kenyang.........18 2.5.2. Uap Panas Lanjut.........20 2.6. Efisiensi Boiler...20 BAB III. PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADA BOILER 3.1. Bahan Bakar...24 3.1.1. Bahan Bakar Gas.........25 3.1.2. Bahan Bakar Cair (Solar).........28 3.2. Proses Pembakaran...30 3.2.1. Prinsip Pembakaran.........30 3.2.2. Pembakaran Tiga T.........31 3.2.3. Susunan Gas Asap......33 3.2.4. Neraca Bahan Dan Neraca Kalor......33 3.2.5. Proses Pembakaran Bahan Bakar Gas.........34 3.2.6. Pembakaran Bahan Bakar Cair (Solar).........35 3.2.7. Operasi Pembakaran.........36 3.3. Perhitungan Stokiometri Kebutuhan Udara...38 3.3.1. Perhitungan Stokiometri Udara Yang Dibutuhkan Untuk Pembakaran.........38 3.3.2. Menghitung Persen Kelebihan Udara Yang Di Pasok (EA).........41 3.3.3. Menghitung Massa Udara Sebenarnya Yang Di Pasok (ASS).........41 Heru Susanto 01303-005 vii

BAB IV. EFISIENSI KERJA BOILER 4.1. Spesifikasi Boiler Di PT. X...42 4.2. Pengolahan Data...45 4.3. Perbandingan Data...49 4.4. Analisa Data...57 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan...59 5.2. Saran...60 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Heru Susanto 01303-005 viii

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Boiler...5 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Pipa api...6 Pipa air...6 Burner...9 Gambar 2.5 Profil suhu konduksi...13 Gambar 2.6 Mekanisme perpindahan panas secara konveksi...14 Gambar 2.7 Perpindahan panas konduksi, konveksi, radiasi...15 Gambar 2.8 Diagram kerja boiler...16 Gambar 3.1 Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak sempurna...33 Gambar 3.2 Neraca baan dan neraca kalor...33 Heru Susanto 01303-005 ix

DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Perbandingan komposisi kimia berbagai bahan bakar...26 Tabel 3.2 Spesifikasi analisis bahan bakar...38 Tabel 4.1 Hasil perhitungan...56 Heru Susanto 01303-005 x

DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Jumlah pemakaian bahan bakar terhadap efisiensi kerja...56 Grafik 4.2 Panas yang dihasilkan boiler terhadap efisiensi kerja...56 Grafik 4.3 Pemakaian bahan bakar terhadap panas yang dihasilkan boiler...57 Heru Susanto 01303-005 xi

NOMEN KLATUR Be Jumlah pemakaian bahan bakar kg bahan bakar/jam Cp Kapasitas panas pada tekanan konstan J/kg.K E Perbandingan jumlah uap yang dihasilkan terhadap pemakaian bahan bakar kg uap /kg bahan bakar h in =h 1 Entalpi air kj/kg h out =h 2 Entalpi uap kj/kg m Massa alir (air, bahan bakar) kg/detik Q=Q in Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler MW Q bahan-bakar Panas yang dihasilkan bahan bakar kw Q boiler Panas yang dihasilkan boiler kw Q Debit alir (Air, bahan bakar) m 3 /jam S Produksi uap Kg uap/jam s Entropi kj/kg.k T 1 Temperatur air masuk K T 2 Temperatur uap keluar K η Boiler Efisiensi boiler % ρ air Berat jenis air kg/m 3 Heru Susanto 01303-005 xii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Proses produksi merupakan proses pengolahan bahan mentah menjadi bahan setengah jadi atau barang jadi. Proses produksi telah berkembang dari sektor yang mengandalkan tenaga kerja menjadi sektor yang mengutamakan teknologi tinggi dan berorientasi pada otomatisasi. Faktor pendorong utama dalam otomatisasi industri adalah kebutuhan untuk meningkatkan produktifitas dan kualitas produk. Sejalan dengan perkembangan zaman, sejak dahulu kala hingga saat ini masalah energi dari hari ke hari dirasa masih kurang. Hal ini menjadi tantangan para teknokrat untuk selalu berfikir dan berusaha mengatasi masalah tersebut agar jelas solusinya. Salah satu solusi dalam pemenuhan energi adalah ketel uap (boiler), dimana digunakan untuk penyelesaian pekerjaan-pekerjaan yang dapat diselesaikan dengan energi uap, baik itu uap jenuh maupun uap panas lanjut. Heru Susanto 01303-005 1

Ditinjau dari prinsip kerja Boiler yang merubah energi bahan bakar menjadi energi uap melalui proses serangkaian kerja mesin-mesin yang melakukan kerja pemompaan air kedalam ketel kemudian dipanaskan sehingga menghasilkan uap yang dapat digunakan, salah satunya untuk pekerjaan mesin hot press yang menggunakan energi uap tersebut untuk melakukan pengepresan sol tapak sepatu, 1.2 Maksud Dan Tujuan Maksud dan tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah : 1. Menentukan efisiensi kerja mesin Boiler dan kebutuhan kalor pada bagian komponen Boiler. 2. Mempelajari dan memahami sistem kerja dari mesin Boiler. 1.3 Batasan Masalah Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis hanya membahas sebatas ruang lingkup Menentukan efisiensi kerja mesin Boiler dengan menggunakan dua bahan bakar yaitu solar dan gas yang juga sekaligus menjadi judul dari Tugas Akhir ini. 1.4 Metode Penulisan Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis mempergunakan beberapa metode, antara lain : Melakukan studi literature dengan mempelajari teori-teori yang berhubungan dengan Tugas Akhir yang disusun. Heru Susanto 01303-005 2

Melakukan wawancara dengan pihak-pihak yang dapat membantu dalam kelancaran penyusunan Tugas Akhir ini. 1.5 Sistematika penulisan. Sistematika penulisan yang digunakan mencakup keseluruhan isi penulisan yang diuraikan oleh masing-masing bab. Sistematika penulisan yang dibuat adalah sebagai berikut: BAB 1 PENDAHULUAN Dalam bab ini membahas tentang latar belakang permasalahan, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II LANDASAN TEORI Dalam bab ini akan diterangkan mengenai dasar-dasar teori yang berkaitan dengan pembahasan Boiler, perpindahan panas yang terjadi pada Boiler, sistem kerja Boiler dan teori-teori yang berkaitan dengan teori-teori yang berkaitan dengan perhitungan efisiensi boiler. BAB III PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADA BOILER Dalam bab ini berisikan tentang proses terjadinya pembakaran BAB IV EFISIENSI BAHAN BAKAR Dalam bab ini penulis akan mengolah data-data yang diperoleh dan membandingkannya serta menganalisa hasil perhitungan yang telah didapat sehingga didapat hasil analisa dan solusi mengenai permasalahan yang dihadapi. Heru Susanto 01303-005 3

BAB V PENUTUP Dalam bab ini berisikan tentang kesimpulan-kesimpulan dan saran-saran yang didapat dari hasil pembahasan dan pengamatan penulis. DAFTAR PUSTAKA Heru Susanto 01303-005 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Boiler Boiler dapat didefinisikan sebagai sebuah alat yang digunakan untuk mentransfer kalor atau panas yang diproduksi dari pembakaran fluida. Boiler digunakan untuk menghasilkan air panas, uap jenuh (uap pada temperatur jenuh), atau uap panas lanjut (uap yang dipanaskan diatas temperatur jenuh). Gambar 2.1.Boiler Heru Susanto 01303-005 5

Boiler dapat diklafikasikan dalam beberapa kelas, yaitu : 1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa a. Boiler pipa api (fire tube boiler) Pada boiler pipa api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (hasil pembakaran), yang membawa energi panas (thermal energy) yang segera mentransfer ke air melalui bidang pemanas (heating surface). Tujuan pipapipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas (kalor) kepada air. Gambar 2.2. Pipa Api b. Boiler pipa air (water tube boiler) Pada boiler pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa air adalah air, energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu ruang dapur) ke air. Gambar 2.3. Pipa air Heru Susanto 01303-005 6

2. Berdasarkan pemakaiannya a. Boiler tetap (stasionary boiler) Yang termasuk stasioner ialah boiler yang didudukkan diatas fundasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain. b. Boiler pindah (portable boiler) Yang termasuk portable ialah boiler yang dipasang pada fundasi yang berpindah-pindah, seperti boiler lokomotif, kapal dan lain-lain. 3. Berdasarkan letak dapur (furnace position) a. Boiler dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler) Dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) dibagian dalam boiler, kebanyakan boiler pipa api memakai sistem ini. b. Boiler dengan pembakaran di luar (outernally fired steam boiler) Dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian luar boiler, kebanyakan boiler pipa air memakai sistem ini. 4. Berdasarkan kepada poros tutup drum a. Boiler tegak (vertical steam boiler) b. Boiler mendatar (horizontal steam boiler) 2.2 Komponen-Komponen Mesin Boiler 2.2.1 Komponen Utama 1. Dapur (Furnance) Yaitu tempat dimana bahan bakar dibakar dan terbentuk gas asap. Dinding tungku pada dasarnya adalah lapisan tebal asbes tahan api yang diapit pada bagian luar plat tebal sebagai casing luar boiler dan sebagai pengisolasi dari udara luar. Pada bagian paling depan yang menghadap ke api terdapat Heru Susanto 01303-005 7

susunan pipa-pipa penguap yang disebut dinding air (water tube wall) yang akan menerima panas dari gas asap secara radiasi pada level bawah. Ruang furnace dibatasi oleh : a. Lorong api b. Pipa api 2. Pipa-Pipa Penguap (Riser) Yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas). 2.2.2 Komponen Penunjang lainnya 1. Economiser Yaitu pipa-pipa pemanas air yang terletak dibagian belakang laluan gas asap yang akan dimanfaatkan untuk memanaskan terlebih dahulu air umpan boiler sebelum dimasukkan ke drum sehingga menaikkan efisiensi dan mengurangi perbedaaan suhu yang besar pada dinding drum. Keuntungan menggunakan economizer adalah : a. Menghemat bahan bakar 15-20 %. b. Memperpendek waktu operasi air menjadi uap. c. Dengan kondisi air pengisian yang telah panas pada boiler dapat mengurangi konsentrasi udara (O2) dalam boiler karena oksigen adalah gas yang paling cepat merusak boiler, sehingga penggunaan economizer pada boiler dapat mengurangi kerusakan dan mengurangi terbentuknya kerak dalam boiler maupun saluran uap. 2. Burner Yaitu peralatan yang menyemprotkan bahan bakar dan udara masuk kedalam sehingga terbakar dalam tungku. Bahan bakar minyak lebih sulit Heru Susanto 01303-005 8

terbakar dibandingkan denngan bahan bakar gas alam, sebab sebelum dilakukan pembakaran pada burner terlebih dahulu bahan bakar minyak harus dipersiapkan misalnya percampuran dengan udara. Untuk minyak-minyak yang kental (viskositas tinggi) perlu terlebih dahulu dipanaskan. Pemanasan bahan bakar dimaksudkan untuk menguapkannya (berbentuk gas) sehingga mudah bercampur dengan udara sehingga dapat dicapai penbakaran yang sempurna. Ada beberapa cara mempersiapkan bahan bakar minyak untuk pembakaran termasuk penguapan atau gasifikasi dari minyak dengan cara memanaskannya dalam burner atau atomisasi dari minyak ke dalam aliran udara. Atomisasi minyak dapat dilakukan dengan memakai udara atau uap bertekanan tinggi. Gambar 2.4 Burner 3. Cerobong (stack) Stack berfungsi sebagai saluran untuk membuang gas asap sisa pembakaran (fuel gas) keluar dari boiler. Selain itu dibuat tinggi, stack pada ketinggian tertentu agar memperoleh tarikan cerobong asap (stack draft) yang Heru Susanto 01303-005 9

cukup serta mencegah terbentuknya asam sulfat dari reaksi sulfur yang terdapat pada gas sisa pembakaran dengan H2O yang terdapat pada udara luar. Terbentuknya asam sulfat harus dicegah karena bersifat sangat korosif. 4. Gelas Penduga (Level Glass) Gelas penduga ini sangat penting fungsinya untuk mengetahui tinggi permukaan air di dalam boiler. Sebagai alat keselamatan kerja, boiler sangat tergantung pada alat ini. Jika tidak berfungsi tentu saja hal ini dapat mengganggu proses produksi secara keselurahan. Gelas penduga terdiri atas 2 buah pipa kaca yang dilengkapi indikator level yang jelas dan mudah terbaca. Cara kerjanya ialah dengan menggunakan prinsip bejana berhubungan. Jika kondisi gelas penduga tersebut rusak, hal tersebut tidak perlu dikhawatirkan karena jika ketinggian air di dalam ketel kurang dari yang diisyaratkan maka boiler tersebut akan mati dengan sendirinya (automatic). 5. Sirkulasi Air (Blow Down) Sirkulasi air pada boiler diharapkan dapat mengurangi konsentrasi zatzat kimia, kotoran lumpur dan mencegah terjadinya busa karena terikatnya padatan kima ke dalam steam. Ada 2 jenis sirkulasi (blow down) pada boiler ini yaitu blow down belakang dan blow down samping. 6. Level Control Air (Water Flow Meter) Terdapat 1 buah level control air yang berfungsi untuk start dan stop pengisian air ke boiler yang dijalankan oleh pompa. 7. Manometer (Pressure Gauge) Berfungsi untuk mengetahui berapa tekanan uap pada boiler. Heru Susanto 01303-005 10

8. Pressure Switch Ada 2 set pressure switch yang berfungsi untuk mengontrol secara otomatis tekanan boiler, sehingga tekanan uap boiler yang diinginkan dapat disesuaikan. 9. Katup Pengaman (Safety Valve) Safety Valve berfungsi untuk membuang uap atau steam. Bekerjanya secara mekanik apabila tekanan uap boiler tersebut melebihi tekanan maksimal. 10. Lubang Lalu Orang (Man Hole) Berfungsi sebagai jalan masuk orang ke dalam boiler agar dapat membersihkan atau mencek ruang air dan lorong api. 11. Pompa 1 buah pompa untuk memompakan air dari tangki utama ke Softener Tank. 2 buah pompa lain memompakan air dari feed water tank ke boiler serta 1 buah pompa untuk memompakan bahan bakar ke boiler, tetapi yang dipakai hanya satu unit. Pompa tersebut dijalankan secara bergantian oleh operator yang bertugas. 12. Steam Drum Steam Drum dapat disebut juga main drum atau drum utama yang letaknya pada bagian puncak boiler, berisi sebagian air jenuh dan sebagian uap jenuh, air jenuh ini diperoleh dari economiser serta uapnya diperoleh dari pipa-pipa riser. 13. Steam Superheater Adalah pipa-pipa pemanas untuk memanaskan uap jenuh atau Saturated Steam dari drum menjadi uap lewat jenuh atau Superheater Steam. Heru Susanto 01303-005 11

2.3 Perpindahan Panas Perpindahan panas atau alih bahan (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur antara dua material atau flluida yang berbeda. Karena sifat dasar panas adalah energi panas akan berpindah tempat yang mempunyai temperatur tinggi menuju ke temperatur yang rendah. Kuantitas atau jumlah perpindahan panasnya berbanding lurus dengan perbedaan temperatur. Ada tiga macam perpindahan panas yang mendasar yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi atau pancaran. 2.3.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi Secara konduksi (merambat) adalah cara perpindahan panas dari benda yang memiliki temperatur tinggi menuju temperatur yang rendah, tanpa tergantung dari gerakan benda tersebut. Pada umumnya terjadi pada benda padat. Persamaan laju perpindahan panas tersebut ialah : (J.P Holman, perpindahan kalor : 2) q ka T x Dimana ; q = Laju perpindahan panas ( Watt ) k = Konduktivitas thermal ( W/mº C ) A = Luas permukaan ( m 2 ) δt = Perbedaan benda ( ºC ) δx = Panjang lintasan ( m ) Heru Susanto 01303-005 12

Gambar 2.5. Profil Suhu Konduksi 2.3.2 Perpindahan Panas Secara Konveksi Secara konveksi (mengalir) adalah cara perpindahan panas, dimana panas ikut berpindah bersama dengan fluida (udara, air) yang membawanya. Panas akan mengalir secara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan, panas yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu partikel- partikel fluida ini, kemudian partikel fluida tersebut akan bergerak ke suhu yang lebih rendah dimana fluida akan bercampur dengan partikel- partikel fluida lainnya. Persamaan laju perpindahan panas secara konveksi yaitu dengan menggunakan hukum Newton tentang pendinginan : (J.P Holman, perpindahan panas : 11) q = h.a ( Tw - T ) Dimana ; h = koefisien perpindahan panas ( W/m2.ºC ) A = Luas permukaan ( m 2 ) Tw = Temperatur plat ( ºC ) T = Temperatur fluida ( ºC ) Heru Susanto 01303-005 13

Hembusan Fluida T q = h.a ( Tw - T ) Benda Tw Gambar 2.6. Mekanisme Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan panas secara konveksi dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu : a. Konveksi alami, panas mengalir secara alami, misalnya karena perbedaan kepadatan (densitas). Bejana yang berisi (fluida), apabila bagian bawahnya dipanaskan maka fluida yang berkurang kepadatannya bergerak naik dan fluida yang lebih tinggi kepadatannya akan bergerak turun. b. Konveksi paksa, panas mengalir karena paksaan, seperti pompa, blower, radiator dll. 2.3.3 Perpindahan Panas Secara Radiasi Secara radiasi (memancar) ialah perpindahan panas tanpa perantara, dimana panas mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah bila benda tersebut terpisah didalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda-benda tersebut, maka panas yang dimiliki berubah menjadi gelombang elektromagnetik. Maka didapat persamaan perpindahan panas radiasi, yaitu : Heru Susanto 01303-005 14

(J.P Holman, perpindahan kalor : 1) qpancaran = σ. A. T 4 Dimana ; qpancaran = Laju perpindahan panas radiasi ( kw ) σ = Konstanta Stefan-Boltzmann ( 5,669 x 10-8 W/m 2.K 4 ) A = Luas permukaan ( m 2 ) T 4 = Temperatur plat ( ºC ) Gambar 2.7. Perpindahan Panas Konduksi, Konveksi, Radiasi Heru Susanto 01303-005 15

2.4 Sistem Kerja Boiler Tangki BB Solar Tangki Distribusi kran Mesin Boiler Mesin Hot Press Kantin Tangki BB Gas P2 P1 Feed Tank Softener Tank Tangki Air Utama Gambar.2.8. Diagram Kerja Boiler Keterangan : A. Air dimasukkan ke dalam softener tank dari tungku air utama dengan bantuan pompa. Softener tank ini berfungsi untuk memisahkan koloid-koloid yang terkandung dalam air seperti garam, minyak dan lainnya. Jika hal tersebut diabaikan dapat menyebabkan kerusakan pada ketel. B. Dari softener tank air tersebut dialirkan ke dalam feed tank dengan kondisi air masih dalam keadaan dingin. C. Selanjutnya air di dalam feed tank dimasukkan ke dalam boiler dengan menggunakan pompa hingga sesuai batas optimal kerja boiler. Heru Susanto 01303-005 16

D. Kemudian kran bahan bakar dibuka untuk menuju burner yang berada pada boiler, apabila menggunakan solar maka maka pengisiannya dibantu oleh pompa sedangkan gas langsung membuka kran saja. E. Setelah persiapan telah siap maka boiler secara otomatis akan bekerja dan mulai memanaskan air. F. Kemudian uap yang dihasilkan oleh boiler menuju tangki distribusi baru kemudian didistribusikan kepada mesin hot press dan untuk keperluan kantin. 2.5 Proses Pembentukan Uap Bila diatas sekeping logam terdapat beberapa tetes air dan kita perhatikan molekul-molekul air tersebut, temperatur air pada saat itu ialah To 0 K atau To 0 C. Molekul-Molekkul air tersebut bergerak bebas kesana kemari dalam lingkungannya (dalam lingkungan air). Dengan kecepatan gerak Vo meter/detik. Molekul-molekul tersebut dalam gerakannya kesana kemari tidak akan dapat meninggalkan lingkungannya, yaitu lingkungan air karena adanya gaya tarik-menarik antara molekul-molekul air itu sendiri. Apabila dibawah kepingan logam tersebut dipasang api,sedemikian sehingga api tersebut memanasi kepingan logam yang diatasnya terdapat beberapa tetes air, maka temperatur air tersebut akan naik menjadi T 0 1 K, dan ternyata kecepatan gerak dari molekul-molekul air tersebut akan bertambah menjadi V1 meter/detik, namun belum mampu untuk melepaskan diri dari lingkungannya. Dan bila api yanng dipasang dibawah kepingan logam tersebut senantiasa ditambah besarnya, sedemikian sehingga temperatur air diatas kepingan logam tersebut mencapai Td 0 K, sedangkan kecepatan gerak molekul-molekul air tersebut Heru Susanto 01303-005 17

telah mencapai Vd meter/detik, sehingga molekul-molekul air tersebut mampu untuk melepaskan diri dari lingkungannya, dan mampu untuk 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 semula. Proses yang demikian tadi disebut Proses Penguapan. Molekul-molekul air berubah menjadi molekul uap, atau disebut juga bahwa air tersebut sedang mendidih, karena permukaan air menjadi bergolak. Temperatur air pada saat itu mencapai temperatur mendidih yaitu Td 0 K. Dan bila api masih saja ditambah besarnya, ternyata bahwa temperatur mendidih Td 0 K tidak akan berubah atau tetap saja besarnya, selama tekanan yang ada diatasnya diperhatikan tetap saja besarnya. 2.5.1 Uap Kenyang Apabila proses penguapan tersebut dilakukan dalam tempat yang tertutup seperti gambar, yaitu mula-mula tangki diisi dengan air pada temperatur To 0 K, kemudian tangki dipanasi secara terus-menerus sehingga temperatur air di dalam tangki akan naik terus-menerus dari To 0 K dan mencapai Td 0 K, maka akan terbentuk uap. Untuk semntara kran K1 dibiarkan terbuka, sehingga sebagian uap air yang terbentuk dibiarkan keluar melalui kran K1 untuk beberapa saat lamanya. Kemudian kran K1 ditutup, sehingga tidak ada uap yang dapat keluar lagi. Tekanan di dalam tangki diusahakan tetap besarnya, sementara itu kran K2 dibuka. Apabila keadaan setimbang tercapai, yaitu permukaan air di dalam tangki untuk sementara tetap kedudukannya, maka hal ini berarti bahwa pada temperatur Td 0 K tersebut ada sejumlah molekul-molekul air per satuan waktu yang berubah menjadi molekul-molekul uap. Namun agar kedudukan permukaan air di dala tangki tersebut Heru Susanto 01303-005 18

tetap saja, maka tentulah harus ada sejumlah molekul-molekul uap yang sama banyaknya per satuan waktu yang berubah menjadi molekul-molekul air. Dengan demikian dapat dikatakan, bila keadaan setimbang tercapai akan terdapat sama banyak jumlah molekul-molekul air yang berubah menjadi molekulmolekul uap dengan molekul-molekul uap yang berubah menjadi molekul-molekul air per satuan waktu tertentu. Temperatur air= Temperatur uap = Td 0 K Tekanan air = Tekanan uap = p Newton/m 2 Ternyata selama tekanannya tetap setiap pemberian panas hanya akan berakibat menguapkan airnya tanpa menaikkan temperatur mendidihnya. Uap yang dalam keadaan demikian tadi disebut uap kenyang. Dapat dikatakan : Uap kenyang senantiasa mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan (p) dengan temperatur mendidihnya (Td). Bila tekanan dinaikkan temperatur mendidih akan naik dan sebaliknya bila tekanan diturunkan naka temperatur mendidihnya juga akan turun. Dengan demikian ciri-ciri uap kenyang adalah sebagai berikut : Uap kenyang adalah uap yang dalam keadaan setimbang dengan air yang ada di bawahnya. Uap kenyang adalah uap mempunyai tekanan dan temperatur mendidih yang sama dengan tekanan dan temperatur mendidih air yang ada dibawahnya. Uap kenyang adalah uap yang mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan (p) dan temperatur mendidihnya (Td). Uap kenyang adalah uap yang apabila didinginkan akan segera mengembun menjadi air. Heru Susanto 01303-005 19

2.5.2 Uap Panas Lanjut Bila uap kenyang yang diperoleh dibawa keluar dari tangki melalui sebuah pipa atau alat yang disebut pemanas lanjut uap, dan kemudian dipanaskan lebih lanjut hingga temperaturnya mencapai Tu 0 K yang jauh lebih panas daripada Td 0 K sedangkan tekanannya diatur tetap. Maka uap yang kita peroleh dengan cara tersebut dinamakan uap panas lanjut atau superheated steam. Dengan demikian : uap yang dipanaskan lanjut tidak lagi mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan (p) dengan temperaturnya (Tu). Ciri-ciri uap yang dipanaskan lanjut adalah : Uap yang tidak bisa seimbang dengan air. Uap yang tidak mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan (p) dan temperaturnya (Tu). Uap yang apabila didingnkan tidak akan mengembun. Uap yang temperatur Tu 0 K jauh lebih tinggi di atas temperatur air mendidih Td 0 K pada tekanan p Newton/m 2. 2.6 Efisiensi Boiler Efisiensi boiler dapat dihitung dengan tiga cara, yaitu : 1. Metode langsung : Panas berguna dalam uap x 100 Efisensi (%) = --------------------------------------- Energi total dalam bahan bakar 2. Metode tak langsung Efisensi (%) = 100 % - ( Rugi-rugi) (%) Heru Susanto 01303-005 20

3. Metode dengan menggunakan grafik Secara praktis efisiensi boiler dapat dihitung dengan menggunakan grafik rugirugi panas dan ekses udara. Dalam hal ini penulis akan mempergunakan metode yang pertama yaitu metode langsung dalam melakukan perhitungan untuk mengetahui efisiensi yang terjadi pada boiler. Proses yang terjadi pada boiler adalah pengisian untuk boiler diperoleh dari feed tank yang dipompakan ke dalam boiler. Dan air yang masuk ke dalam boiler dipanaskan hingga menjadi uap, maka panas yang dibutuhkan oleh boiler untuk memanaskan air sampai menjadi uap denagan kapasitas produksi uap pada boiler 1 Ton, secara matematis proses tersebut dapat dituliskan seperti dibawah ini. Secara teoritis kesetimbangan energinya dituliskan sebagai berikut : (Harahap Filino, Thermodinamika Teknik, Hal 207) Q masukan energi h in h out W keluaran energi Karena tidak ada kerja yang terjadi di dalam boiler maka W=0 sehingga persamaan tersebut menjadi : Q h out h in Kondisi tersebut adalah kondisi aktual, dimana h in h 1 dan h out h 2. Jadi banyaknya panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air sampai menjadi uap dengan kapasitas produksi uap pada boiler 1 Ton maka : (Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal.54) Q in S h 2 h 1 Heru Susanto 01303-005 21

Dimana : Q in =Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler (kj/jam) h 1 = Entalpi Air (kj/kg) h 2 = Entalpi Uap (kj/kg) S = Produksi Uap (kg uap/jam) Sehingga untuk mendapatkan panas yang dihasilkan oleh boiler dituliskan sebagai berikut : (Lindsley David, Boiler Control System, Hal 131) m 0 air 80 C x Q air Q boiler m h 2 h 1 Keterangan : m = Massa alir (kg/detik) Q =Debit alir air (m 3 /jam) ρair = Berat jenis air (kg/m 3 ) Q boiler = Panas yang dihasilkan Boiler (kw) Untuk proses pembakaran pada boiler digunakan bahan bakar solar dan gas sehingga jumlah pemakain bahan bakar, Be(kg bahan bakar/jam) dapat dihitung, secara matematis dituliskan sebagai berikut : (Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal.55) Be Q in NKB Dimana : Qin = Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler (kj/jam) NKB = Nilai pembakaran bawah bahan bakar Perbandingan jumlah uap yang dihasilkan terhadap pemakaian bahan bakar, E(kg uap/kg bahan bakar). Heru Susanto 01303-005 22

(Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal.55) E S Be Dimana : S = Produksi Uap (kg uap/jam) Be = Jumlah Pemakaian Bahan Bakar (kg bahan bakar/jam) Sehingga panas yang dihasilkan oleh bahan bakar secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : Q bahan bakar m x NKB Kemudian untuk menentukan efisiensi boiler berdasarkan rumus yang telah diketahui dapat dituliskan sebagai berikut : Boiler Q Q Boiler Bahanbakar x100% Heru Susanto 01303-005 23

BAB III PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADA BOILER 3.1 Bahan Bakar Bahan bakar (fuel) adalah bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran tersebut dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar dibakar dengan tujuan untuk memperoleh kalor tersebut, untuk digunakan baik secara langsung maupun tak langsung. Sebagai contoh penggunaan kalor dari proses pembakaran secara langsung adalah: untuk memasak di dapur-dapur rumah tangga, untuk instalasi pemanas, sedang contoh penggunaan kalor secara tidak langsung adalah: kalor diubah menjadi energi mekanik, misalnya pada motor bakar, kalor diubah menjadi energi listrik, misalnya pada pembangkit listrik tenaga diesel, tenaga gas dan tenaga uap. Heru Susanto 01303-005 24

Bahan bakar yang digunakan di dalam boiler pada umumnya diklafisifikasikan sebagai berikut : 1. Bahan bakar padat 2. Bahan bakar cair 3. Bahan bakar gas Untuk melakukan pembakaran diperlukan tiga unsur, yaitu : 1. bahan bakar 2. oksigen dari udara pembakaran 3. suhu untuk memulai pembakaran Jadi tergantung pada jenis yang bahan bakar yang dipergunakan pada boiler, dikarenakan boiler yang penulis bahas adalah menggunakan bahan bakar solar dan gas maka sistem pembakaran yang dipergunakan adalah sistem pembakaran bahan bakar gas dan sistem pembakaran bahan bakar cair (solar). 3.1.1 Bahan Bakar Gas Didalam tanah banyak terkandung : gas bumi (petrol gas) atau sering pula disebut gas alam yang timbul pada saat proses pembentukan minyak bumi, gas tambang, dan gas rawa (CH 4 atau methan). Seperti halnya minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran dari dalam tanah, baik di daratan maupun di lepas pantai terhadap lokasilokasi yang diduga terdapat kandungan gas alam. Gas alam tersusun dari parafin hidrokarbon, khususnya gas metana bercampur dengan nitrogen, N2, dan karbon dioksida, CO2, diperoleh dari tambang dengan pengeboran tanah melalui batuan kapur atau batuan pasir. Kandungan metananya di atas 90%. Sulfur dalam jumlah yang sangat sedikit juga ada. Karena metan Heru Susanto 01303-005 25

merupakan komponen terbesar dari gas alam, biasanya sifat metan digunakan untuk membandingkan sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainnya. Gas alam merupakan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi yang tidak memerlukan fasilitas penyimpanan. Gas ini bercampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. Gas ini tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan menyebar ke udara dengan mudahnya jika terjadi kebocoran. Perbandingan kadar karbon dalam minyak bakar, batubara dan gas diberikan dalam tabel dibawah. Tabel 3.1 Perbandingan Komposisi Kimia Berbagai Bahan Bakar (Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia www.energyefficiencyasia.org) Bahan Bakar Solar Batubara Gas Alam Karbon 85,9 58,96 74 Hidrogen 12 4,16 25 Sulfur 0,5 0,56 - Oksigen 0,7 11,88 0,25 Nitrogen 0,5 1,02 0,75 Abu 0,05 13,99 - Air 0,35 9,43 - Mengingat makin menyusutnya cadangan minyak bumi di dalam tanah, dewasa ini banyak dieksplorasi dan dimanfaatkan penggunaan gas bumi sebagai bahan bakar pengganti. Penggunaan gas alam sebagai bahan bakar boiler mempunyai keuntungan-keuntungan sebagai berikut : a. Pada umumnya boiler yang menggunakan bahan bakar gas akan lebih murah dibanding dengan boiler yang menggunakan bahan bakar lainnya. Hal ini Heru Susanto 01303-005 26

disebabkan karena pembakaran gas alam tidak menghasilkan abu dan jelaga sehingga kecepatan gas asap melalui celah-celah pipa dapat diperbesar. b. Peralatan pembakar untuk gas alam jauh lebih sederhana dibandingkan dengan peralatan pembakar dari bahan bakar lainnya. c. Pembakaran dengan gas alam akan berlangsung lebih sempurna dibanding dengan bahan bakar lainnya. d. Biaya operasi dan biaya perawatan (operation and maintenance costc)untuk boiler yang menggunakan bahan bakar gas akan jauh lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar yang lain, hal ini dikarenakan : Harga gas rata-rata lebih murah dibanding bahan bakar lain untuk jumlah panas yang sama yang dibangkitkan. Efisiensi boiler dapat lebih tinggi dengan akibat penggunaan bahan menjadi lebih hemat. Tetapi disamping keuntungan-keuntungan tersebut penggunaan gas sebagai bahan bakar boiler mengandung keterbatasan-keterbatasan sebagai berikut : a. Lokasi boler harus disekitar lokasi penambangan gas atau dalam jangkauan ekonomis transmisi pipa-pipa gas alam. b. Bila termasuk dalam jangkauan transmisi pipa-pipa akan tetapi sukar mendapatkan air pengisian boiler yang baik kualitasnya, maka dalam hal ini perlu tambahan biaya investasi untuk pengelohan (processing) air pengisian tersebut. c. Diperlukan investasi yang lebih besar untuk perawatan pengaturan dan instalasi keamanannya, mengingat gas alam jauh lebih berbahaya dibanding dengan bahan bakar lainnya. Heru Susanto 01303-005 27

Gas alam di salurkan dari tempat penambangannya melalui jaringan pipa-pipa transmisi dengan tekanan sekitar 60-70 kg/cm 2, yang di dekat instalasi boiler perlu di bangun stasiun reduksi tekanan gas alam hingga 4 kg/cm 2 absolut. Volume udara teoritis yang dibutuhkan sekitar 8,3 9.4 m 3 udara per m 3 gas alam, sehingga dengan angka kelebihan udara m=1, maka gas asam yang terbentuk hanya bertambah dengan 1 m 3 dari jumlah kebutuhan udara teoritisnya. Temperatur bunga api sangat tinngi, sekitar 1850 0 1900 0 C bila di dalam lingkungan udara, dan bila lingkungan zat asam dapat mencapai 2700 0 2750 0 C. Adapun kecepatan pembakarannya maksimum =30 cm/detik. 3.1.2 Bahan Bakar Cair (Solar) Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya diladang-ladang minyak, dan memompanya sampai ke atas permukaan bumi untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar. Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi maupun rumah tangga adalah fraksi minyak bumi. Minyak bumi adalah campuran berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa: parafin, naphtena, olefin, dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda dari yang lain dalam kandungan hidrogennya. Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan beberapa macam fraksi, seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak petroleum mentah mengandung keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya berbeda. Perbedaan minyak mentah yang utama ialah: Heru Susanto 01303-005 28

a. Yang bersifat Parafinis (paraffinic base), ialah persenyawaan zat air arang yang membentuk rantai yang panjang atau sering disebut sebagai persenyawaan alifatis, yang terdiri dari Alkan C n H 2 n+2 atau Alkin C n H 2 n. b. Yang bersifat Naphtenis (naphtenic base), ialah persenyawaan zat air arang yang berbentuk siklis, atau Aromat C n H 2 n+6 atau Cyclan C n H 2 n. Minyak bumi (crude oil) hanya digunakan sebagai minyak bakar langsung di dalam mesin boiler bila sedikit sekali mempunyai kandungan-kandungan persenyawaan zat air arang dengan titik atau temperatur mendidih yang rendah, sehingga tidak banyak manfaatnya untuk memisah-misahkannya. Keadaan yang demikian ini adalah keadaan yang khusus. Umumnya dari minyak bumi (crude oil) dapat dipisah-pisahkan beberapa macam bahan bakar cair, antara lain berbagai jenis bensin,minyak tanah, kerosin, solar serta minyak berbagai jenis minyak bakar untuk boiler. Pemisahan- pemisahan menjadi beberapa bahan bakar tersebut dilakukan dengan jalan distilasi bertingkat melalui berbagai tingkatan temperatur. Minyak solar biasa digunakan pada boiler, baik yang stasioner maupun yang bergerak. Dalam hal instalasinya, pemakaian minyak solar dalam boiler akan lebih murah dibanding batubara. Disamping itu, pemakaian minyak solar tidak menimbulkan masalah abu. Akan tetapi pada boiler tekanan tinggi dan suhu tinggi dapat menimbulkan korosi dan kerusakan pada superheater tube. Pemakaian minyak solar kecuali dalam boiler antara lain : Tanur dalam industri baja, tanur tinggi dalam industri semen dan industri lain yang mempunyai kaitan dengan semen, serta berbagai dapur dalam industri petroleum dan industri kimia. Heru Susanto 01303-005 29

Mesin diesel, kecuali pada mesin diesel kecepatan tinggi seperti pada truk dan lokomotif, pada mesin diesel kapal serta mesin diesel berkecepatan rendah untuk pembangkit tenaga listrik. Turbin gas 3.2 PROSES PEMBAKARAN 3.2.1 Prinsip Pembakaran Proses pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara bahan bakar dengan oksigen (O 2 ) dari udara, disertai cahaya dan menghasilkan kalor. Hasil pembakaran yang utama adalah Karbondioksida (CO 2 ), uap air (H 2 O) dan disertai energi panas. Sedangkan hasil pembakaran yang lain adalah Karbonmonoksida (CO), abu (ash), NOx, atau SOx tergantung pada jenis bahan bakarnya. Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut: Karbon + oksigen = Karbon dioksida + panas Hidrogen + oksigen = Uap air + panas Sulfur + oksigen = Sulfur dioksida + panas Beberapa hal yang terjadi pada proses pembakaran : a. Pembakaran dengan udara kurang Dikatakan campuran rich (kaya). Pembakaran ini menghasilkan api reduksi. Api reduksi ditandai oleh lidah api panjang, kadang-kadang sampai terlihat berasap. Keadaan ini juga disebut pembakaran tidak sempurna. Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang karena bahan bakar berlebih serta ada bahan bakar yang tak terbakar di samping terdapat hasil pembakaran seperti CO, CO 2, Uap air, dan N 2. Heru Susanto 01303-005 30

b. Pembakaran dengan udara berlebih. Dikatakan campuran lean (kurus). Pembakaran ini menghasilkan api oksidasi. Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang karena udara berlebih serta hasil pembakaran seperti CO 2, Uap air, O 2 dan N 2. c. Pembakaran dengan udara optimum Pada proses ini terjadi perpindahan panas yang maksimum dan panas yang hilang minimum serta terdapatnya hasil pembakaran seperti CO 2, Uap air, dan N 2. Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan udara sekunder yaitu udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah burner, melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding dapur. Pada umumnya bahan bakar telah berubah menjadi uap (combustible vapor) sebelum terbakar. Untuk mempercepat terjadinya combustible vapor diperlukan proses pengabutan. Butiran-butiran kabut tersebut luas permukaannya menjadi sangat besar, hingga mempercepat penguapan. 3.2.2 Pembakaran Tiga T Tujuan dari pembakaran yang baik adalah melepaskan seluruh panas yang terdapat dalam bahan bakar. Hal ini dilakukan dengan pengontrolan tiga T pembakaran yaitu : 1. Temperature, suhu yang cukup tinggi untuk menyalakan dan menjaga penyalaan bahan bakar, 2. Turbulence, Turbulensi atau pencampuran oksigen dan bahan bakar yang baik, dan 3. Time, Waktu yang cukup untuk pembakaran yang sempurna. Heru Susanto 01303-005 31

Bahan bakar yang umum digunakan seperti gas alam dan propan biasanya terdiri dari karbon dan hidrogen. Uap air merupakan produk samping pembakaran hidrogen, yang dapat mengambil panas dari gas buang, yang mungkin dapat digunakan untuk transfer panas lebih lanjut. Gas alam mengandung lebih banyak hidrogen dan lebih sedikit karbon per kg daripada bahan bakar minyak, sehingga akan memproduksi lebih banyak uap air. Sebagai akibatnya, akan lebih banyak panas yang terbawa pada pembuangan saat membakar gas alam. Terlalu banyak, atau terlalu sedikit nya bahan bakar pada jumlah udara pembakaran tertentu, dapat mengakibatkan tidak terbakarnya bahan bakar dan terbentuknya karbon monoksida. Jumlah O2 tertentu diperlukan untuk pembakaran yang sempurna dengan tambahan sejumlah udara (udara berlebih) diperlukan untuk menjamin pembakaran yang sempurna. Walau demikian, terlalu banyak udara berlebih akan mengakibatkan kehilangan panas dan efisiensi. Tidak seluruh bahan bakar diubah menjadi panas dan diserap oleh peralatan pembangkit. Biasanya seluruh hidrogen dalam bahan bakar terbakar. Saat ini, hampir seluruh bahan bakar untuk boiler, karena dibatasi oleh standar polusi, sudah mengandung sedikit atau tanpa sulfur. Sehingga tantangan utama dalam efisiensi pembakaran adalah mengarah ke karbon yang tidak terbakar (dalam abu atau gas yang tidak terbakar sempurna), yang masih menghasilkan CO selain CO2. Heru Susanto 01303-005 32

Gambar 3.1 Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak sempurna 3.2.3 Susunan Gas Asap Apabila pembakaran berlangsung sempurna, maka susunan gas asap hanya terdiri dari: CO2, H2O, SO2, N2 dari udara dan O2 kelebihan. Pembakaran tidak sempurna, maka disamping gas-gas tersebut di atas, terjadi pula gas CO serta sisa bahan bakar yang tidak terbakar. Besarnya kadar gas CO2 dalam gas asap merupakan indikator sempurna atau tidak sempurnanya pembakaran. 3.2.4 Neraca Bahan Dan Neraca Kalor Berat massa bahan yang masuk ruang pembakaran = berat massa bahan yang keluar. Flow Chart 3.1 Neraca Bahan dan Neraca Kalor Heru Susanto 01303-005 33

(a + b) = (c +d +e) a = berat bahan bakar kering + air (kelembaban). b = berat udara + uap air yang terkandung dalam udara. Air dalam d dan e = (air yang terkandung dalam bahan bakar) + (air dari kelembaban udara) + (air yang terbentuk dari reaksi pembakaran) 3.2.5 Proses Pembakaran Bahan Bakar Gas Pembakaran bahan bakar yang berupa gas, yang hampir keseluruhannya terdiri dari Karbon (C)dan Hidrogen (H), mula-mula berlangsung sebagai berikut : yang dimulai dengan mengurai gas-gas hingga menghasilkan komponen-komponen dari gas air (CO dan H 2 ) bila kondisi Oksigen (O 2 ) mencukupinya. Hal ini dapat diikuti dengan mudah pada burner. Dengan penyetelan yang tepat pengaliran udara pembakar, maka gas yang keluar dari burner akan menarik sejumlah udara primer tertentu, yang cukup untuk penguraian gas-gas menjadi CO 2 dan H 2 (yang biasa disebut gas air atau water gas). Penguraian gas-gas ini berlangsung di dalam kerucut bunga api yang paling dalam, pada temperature yang lebih rendah daripada temperatur bila pembakaran telah berlangsung sepenuhnya. Pembakaran dari gas air (water gas) yang terbentuk, yang dilakukan oleh oksigen dari udara sekunder yang mengalir disekeliling bunga api akan berlangsung pada temperatur yang tinggi di lapisan yang tipis, yang tidak bercahaya dari bunga api dan berlangsung sangat cepat bila oksigen yang tersedia mencukupinya. Jika arus udara primer tidak mencukupi atau bila pencampurannya dengan gas-gas tidak sempurna, maka penguraian menjadi water gas akan terganggu. Mulamula yang terurai terlebih dahulu adalah karbon yang berupa partikel-partikel kecil yang melayang-layang di dalam bunga api. Bila kemudian temperatur menjadi cukup Heru Susanto 01303-005 34

tinggi (sekitar 800 0 C) dan oksigennya mencukupi, maka penguraian menjadi water gas akan dilanjutkan dan partikel-partikel karbon yang terbentuk tadi akan terbakar,mula-mula menjadi CO yang kemudian dilanjutkan lagi menjadi CO 2. Karena penguraian menjadi water gas yang terganggu tadi, maka bunga api menjadi lebih panjang daripada yang disebutkan tadi, lagi pula partikel-partikel karbon yang menyala pada waktu terbakar akan mejadikan bunga api terlihat menyala. Bila temperatur di luar bunga api terlalu dingin atau aliran udara pembakar kurang cukup maka partikel-partikel karbon yang terurai tadi seluruhnya tidak terbakar sehingga masih berujud partikel-partikel karbon yang berupa jelaga (soot) yang melayang-layang di dalam bunga api. 3.2.6 Pembakaran Bahan Bakar Cair (solar) Sebelum pembakaran berlansung maka telebih dahulu bahan bakar diuraikan menjadi gas-gas. Bahan bakar cair umumnya terdiri dari karbon (C), hidrogen (H) dan sulfur (S). Oksidasi karbon agak lambat dan lebih sulit bila di bandingkan dengan unsur hidrogen dan sulfur. Walaupun karbon mempunyai suhu pembakaran yang lebih rendah (407 0 C) dari zat air, karbon adalah zat padat dengan temperatur tinggi dan pembakarannya relatif lambat. Sebagai konsekuensinya pada beberapa proses pembakaran yang teoritisi, ini akan diasumsikan bahwa kedua unsur sulfur dan hidrogen terbakar dengan sempurna sebelum karbon terbakar. Selanjutnya semua karbon teroksidasi menjadi karbonmonoksida (CO) sebelum setiap karbon berubah menjadi karbondioksida (CO 2 ). Reaksi kimianya adalah sebagai berikut : C + O 2 ----------- CO + Q C.CO Dalam reaksi ini 1 mol C (12,01 kg) bereaksi dengan 1 mol O 2 (32 kg) menghasilkan 1 mol CO (44,01 kg). Heru Susanto 01303-005 35

CO + O 2 ----------- CO 2 + Q C.CO2 Jadi 1 mol CO (44,01 kg) bereaksi dengan 1 mol O 2 (32 kg) menghasilkan 1 mol CO 2 (76,01 kg). Jadi dibutuhkan oksigen sebesar : 32 2, 66 kg 12,01 O2 Hidrogen mempunyai temperatur pembakaran yang tertinggi yaitu 582 0 C tetapi selama dia berbentuk gas. Hidrogen beroksidasi menjadi air seperti diperlihatkan dalam persamaan reaksi kimia di bawah ini : 2H 2 + O 2 ---------- 2H 2 O + 2Q H 2 mol H 2 (4,032) bereaksi dengan 1 mol O 2 (32) menjadi 2 mol air (H 2 O=36,032). Jadi dibutuhkan oksigen sebamyak : 32 7, 94 jadi 7,94 kg 4,032 O2 /kg H 2 Sulfur mempunyai tempeatur pembakaran dari 243 0 C, adalah yang terendah dari ketiga unsur yang dapat di bakar tersebut. Selama peristiwa oksidasi, dilepaskan energi seperti terlihat dalam persenyawaan kimia di bawah ini : S + O 2 ----------- SO 2 + Q S Ini berarti 1 mol S (32,06) bersenyawa dengan 1 mol O 2 (32) memproduksi 1 mol sulfur dioksida (64,06kg). Jadi dibutuhkan oksigen sebesar : 32 0, 998 kg 32,06 O2 /kg C. 3.2.7 Operasi Pembakaran Kalor pembakaran yang diperoleh dari reaksi bahan bakar dengan udara, dipergunakan untuk: Menaikkan suhu bahan bakar yang dibakar dalam dapur. Menaikkan suhu campuran bahan bakar dan udara. Sebagian besar yang lain terbuang sebagai: Heru Susanto 01303-005 36

radiasi ke sekeliling, terbawa keluar cerobong dalam gas asap, konduksi dan konveksi ke peralatan dapur. Temperatur dapur akan maksimum bila kehilangan-kehilangan di atas minimum. Pada pengoperasian burner memperhatikan kecepatan nyala: Pada nyala yang stabil, kecepatan nyala sama dengan kecepatan campuran bahan bakar dan udara yang keluar dari burner. Bila kecepatan nyala lebih besar akan terjadi flash back. Bila kecepatan nyala lebih kecil akan terjadi blow off. Beberapa faktor yang mempengaruhi kecepatan nyala: tekanan campuran bahan bakar dan udara, suhu pembakaran, perbandingan udara primer dan bahan bakar, efek pendinginan dari lingkungan. Kecepatan nyala ini tidak dapat diperhitungkan lebih dahulu, kecuali pada keadaan yang sangat tertentu saja. Untuk memperoleh efisiensi yang tinggi dalam pengoperasian dapur, perlu alat-alat kontrol sebagai berikut: Kontrol Suhu Bahan bakar yang masuk ke dalam dapur banyaknya dikontrol oleh temperatur dalam dapur, antara lain pirometer radiasi dan temperatur atap dapur. Bila dibaca terlalu tinggi, maka jumlah bahan bakar harus dikurangi dan seterusnya. Heru Susanto 01303-005 37