PERENCANAAN KETEL UAP TEKANAN 6 ATM DENGAN BAHAN BAKAR KAYU UNTUK INDUSTRI SEDERHANA RUSNOTO ABSTRAK Ketel uap/boiler adalah suatu pesawat yang mengubah air menjadi uap dengan jalan pemanasan dan uap tersebut digunakan ke pesawat pemakai. Perencanaan boiler ini berskala kecil dengan kapasitas uap hasil 0,3 ton/jam uap basah dengan menggunakan bahan bakar kayu sebagai sumber energi panas. Ketel uap ini sebagai unit penggerak proses pengolahan dan banyak digunakan industri kecil menengah seperti industri tahu, kerupuk, manisan buah, industri rotan dan sebagainya menggunakan peralatan yang disebut dandang sebagai alat perebusan/pemasakan. Dapurnya menggunakan bahan bakar kayu karena mudah didapat dan harganya murah. Industri kecil pengolahan umumnya hanya menggunakan uap jenuh /uap basah, maka ketel uap ini direncanakan menghasilkan uap pada temperature 100-120 C pada tekanan uap 1,5-2 bar (tekanan operasional). Tekanan uap perencanaan ketel 6 atm. Jenis yang dirancang adalah jenis ketel uap pipa api. Bahan ketel menggunakan carbon steel SA 299. Ruang bakar menggunakan cor bata dengan dibagian bawahnya menggunakan ranjangan besi cor supaya abu hasil pembakaran bisa turun ke bawah, dan dibawahnya ranjangan besi cor ada ruangan kosong sebagai tempat abu. Kata kunci : Ketel uap, Uap jenuh, Ruang bakar, Tekanan uap. PENDAHULUAN Ketel uap banyak digunakan pada industry kecil menengah sebagai system peralatan proses pengolahan, seperti pengolahan cengkeh pala dan sebagainya. Juga bisa digunakan sebagai media pemanas pada industry sederhana seperti industry tahu, industry rotan dan sebagainya. Sebagai pemanas digunakan dapur dengan bahan bakar kayu maupun ampas tebu, karena ampas tebu maupun kayu murah harganya dan mudah didapat. Dari beberapa penelitian bahwa industry-industri kecil pangan (Siregar H.P, 1999) masih banyak menggunakan peralatan sederhana dalam proses produksinya. Pemakaian energy panas seperti uap pada industry tersebut diatas banyak dibutuhkan. Sementara kebutuhan tersebut masih banyak menggunakan alat-alat sederhana dimana umumnya boros energi, proses relatif lamadan tidak nyaman. Ketel uap (boiler) sebagai penghasil uap yang dipakai untuk sumber energi proses merupakan suatu alur produksi dalam suatu industry pangan ataupun industry lainnya karena sangat vital fungsinya dalam proses produksi. Boiler biasanya dipakai sebagai alat untuk proses perebusan/memasak,sterelisasi, penyulingan, pengering dan sebagainya. Oleh karena itu direncanakan suatu system pembangkit energy panas unit boiler menggunakan bahan bakar kayu. Kapasitas uap boiler direncanakan 0,3 ton/jam beroperasi pada tekanan uap 1,5-2,0 bar. Skala kapasitas boiler ini cukup mencangkup kebutuhan industry kecil seperti industry tahu, industry pengolahan
pangan produk buah manisan/asinan, dan sebagainya. Jenis uap yang dibutuhkan dalam proses pengolahan biasanya jenis uap basah/uap jenuhdengan temperature 100-120 C. Jenis ketel yang dirancang dari jenis ketel uap pipa api (fire tube). Dipilih jenis ketel uap pipa api karena bentuknya sederhana, mudah perawatannya, harganya murah, dan juga pekerjaan konstruksi dapat dilakukan oleh bengkel-bengkel yang tidak terlalu besar. METODE Rancangan ketel uap pembangkit panas, bagian utama ketel uap terdiri dari : - badan silinder ketel - ruang bakar - bidang pemanas - dan lain sebagainya Badan ketel uap (boiler) Jenis ketel uap dipilih dari jenis ketel uap pipa api (fire tube), dimana tabung silinder sebagai wadah dimana air dipanaskan, sedangkan ruang bakar ditempatkan diluar maupun didalam tabung silinder. Dalam hal ini pipa api (lorong api) ditempatkan didalam tabung silinder. Konstruksi badan boiler dirancang menggunakan bahan baja lunak (mild steel), dimana tekanan rancangan badan silinder ketel uap 6 atm. Pemilihan ukuran badan silinder ketel uap dengan pertimbangan jumlah air diperlukan untuk operasi ketel uap dalam jangka waktu operasi tertentu. Dengan menggunakan data di atas dan formulasi sederhana, maka ukuran tabung silinder, ketebalan plat silinder dapat diperoleh. Ruang bakar Ruang bakar merupakan ruang terselubung dimana reaksi dan hasil pembakaran dari burner terjadi, terisolasi, bergerak dinamis dan terkontrol. Ruang bakar merupakan salah satu komponen yang paling kritis dari suatu pembangkit uap dan mesti dirancang secara konservatif. Konfigurasi ruang bakar dan ukurannya ditentukan oleh kebutuhan pembakaran, karakteristik bahan bakar, emisi standar untuk material, dan kebutuhan akan tersedianya aliran gas dan temperature masuk bidang permukaan convection heat absorbing untuk mengurangi deposit abu dan temperature berlebihan. Volume ruang bakar adalah fungsi dari furnace heat release rates yaitu berkaitan dengan maximum local absorption rates dalam batas-batas yang aman. Pembatasan heat release pada ruang bakar misalnya akan mengurangi kehilangan karbon, control asap, dan mencegah abu beterbangan yang berlebihan. Disain ruang bakar ditentukan oleh jenis bahan bakar yang digunakan dan kapasitas atau laju konsumsi bahan bakar. Disini bahan bakar yang digunakan adalah kayu. Kapasitas bahan bakar (Wf) dapat diperoleh dari rumusan berikut : Wf = Ho ƞhhv Wf = kapasitas bahan bakar Ho = heat output boiler HHV = High Heating Value (nilai panas pembakaran tinggi) = 10951,245 Btu/lb Ƞ = efesiensi Pada reaksi pembakaran tiap satu lb bahan bakar kayu adalah :
- pembakaran karbon (C) - pembakaran hydrogen (H) - pembakaran unsur sulfur (S) Sehingga dari reaksi tersebut maka O2 yang diambil dari udara untuk pembakaran bisa dihitung. Kapasitas udara pembakaran dihitung dengan rumus : WA = Wa. Wf WA = kapasitas udara pembakaran (lb/jam) Wa = kebutuhan udara teoritis Wf = kapasitas bahan bakar (lb/jam) Energi panas dilepaskan diruang bakar (Qp) diperoleh dari pendekatan berikut : Qp = S x Δs S = kapasitas ketel uap Δs = perbedaan enthalpy uap dan enthalpy air pengisian ketel uap Volume ruang bakar (V) : V = B x LHV/qb B = laju konsumsi bahan bakar LHV = low heating value (nilai panas pembakaran rendah) (KJ/kg) Qb = beban pemanasan ruang pembakaran (KJ/hm3) Luas bidang pemanas (F) : F = Q / k {( T api / 100)4 ( T pipa / 100)4} K = koofisien perpindahan panas T api = temperature api (K) T pipa = temperature pipa (K) Dari perhitungan rumusan di atas maka diperoleh spesifikasi utama ketel uap. Sirkulasi dan bidang pemanas. Sirkulasi air atau uap adalah pergerakan air, uap maupun campuran air dan uap melalui pipa api / dinding drum luar lorong api yang dipanaskan (bidang pemanas) untuk menyerap panas dari pipa/dinding pemanas pada suatu tingkat tertentu sehingga dapat mencegah temperature pipa yang berlebihan atau perbedaan temperature yang dapat menyebabkan tegangan/stress pipa logam ataupun mencegah korosi. Sirkulasi yang baik merupakan hal yang sangat penting dalam pengoperasian segala jenis ketel uap. Ketel uap tidak dapat beroperasi dengan baik bila sirkulasinya kurang lancer. Sirkulasi air dan uap ini dapat berlangsung secara alamiah dan secara buatan yaitu dengan menggunakan pompa. Bidang pemanas adalah suatu bidang yang menyerap/menerima panas dari hasil pembakaran burner sebagai alat pemindah panas kepada fluida air. Alat pemindah panas dapat berupa pipa air dan pipa api. Perpindahan panas pada bidang pemanas dengan 3 cara yaitu secara konduksi (hantaran), konveksi (aliran) dan radiasi (pancaran). Air pengisian ketel. Air pengisian ketel dipompakan dari luar masuk ke dalam ketel dengan menggunakan pompa air pengisian ketel (boiler feed pump) dari tekanan > 2 bar hingga mencapai tekanan kerja P bar di dalam ketel. Sebaiknya air yang digunakana adalah air bersih dan sudah mengalami pelunakan dengan tingkat keasaman ph netral. Sumber
air yang bisa digunakan adalah adalah air sumur, air sungai, air hujan dan lain-lain. Diameter pipa api : 53 mm Gambar konstruksi pandangan depan : Peralatan assesori. Alat-alat assesori terdiri dari alat ukur tekanan (manometer), pengatur permukaan air (gelas penduga), kran pengisi, kran pembuang, kran pengaman, peluit pengaman, dan lain-lain. Peralatan assesori ini sangat diperlukan dalam operasional ketel uap agar kerja ketel yang diinginkan dapat tercapai dalam operasional yang aman. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil perhitungan rumusan diatas, maka diperoleh spesifikasi unit boiler yang dirancang sebagai berikut : - Tipe boiler : pipa api - Kapasitas uap : 0,3 ton/jam - Temperature dan tekanan uap operasi : 120 C; 1,5 2,0 barg - Dimensi ukuran badan ketel : Diamtere dalam : 1192 mm Diameter luar : 1294 mm Panjang ketel : 2956 mm Bahan dinding ketel: carbon steal SA-299 Bahan isolasi : asbes Air pengisian : manual Diameter dalam lorong api : 914 mm Diameter luar lorong api : 944 mm 1 Keterangan : 1. Drum ketel 2. Lorong api 3. Pipa api KESIMPULAN 1. Unit boiler cukup efisien dengan capaian efesiensi thermal 75-85 % 2. Konstruksi sederhana sehingga mudah perawatannya. 3. Unit boiler cukup baik untuk dapat menggantikan peralatan proses pada industry pengolahan pangan, manisan / asinan buah, pengolahan tahu tempe, dan sebagainya. 2 3 DAFTAR PUSTAKA Asme, 1983, Boiler and pressure Vessel Code. Babcock and Wilcox, 1960, Steam Its Generation and Use, New York. Djoko Setyarjo,M.J, 1987, Ketel Uap, Edisi Pertama, PT.Pradnya Paramita, Jakarta. Filipo Harahap, 1983, Thermodinamika Teknik, Edisi Kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta. Holman,J.P., 1946, Heat Transfer, First, Edition, Mc.Graw Hill Book Company Inc, New York. Siregar,H.P, 2005, Rancang Bangun Ketel Uap/Boiler Menggunakan Burner Minyak Tanah untuk Industri Kecil Menengah, Prosiding Seminar Nasional Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi STTNAS Yogyakarta.
Siregar,H.P, 2001, Pengembangan Ketel Uap untuk Industri Kecil, Prosiding Seminar Nasional Peran Teknologi Informasi dalam pengembangan Usaha Kecil Menengah, Forum Komunikasi Teknologi Tepat Guna Jawa Timur, Surabaya. Surbakti,B.M, 1985, Pesawat Tenaga Uap I, Mutiara Solo, Solo. Syamsir A.Muin, 1988, Pesawat-Pesawat Konversi Energi I (Ketel Uap), CV.Rajawali, Jakarta. Tambunan, ESM, 1984, Ketel Uap, Karya Agung, Jakarta.