1 BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Salah satu kelompok energi yaitu ketel uap yang dipergunakan untuk mengubah air menjadi uap, dimana uap ini berfungsi sebagai zat pemindah tenaga kalor, tenaga kalor yang dikandung di dalam uap ini dinyatakan dengan entalphi yang diperoleh uap dari proses pembakaran bahan bakar, yang mana kalor dipindahkan dari bahan bakar ke air dan uap melalui api dan gas menembus dinding-dinding pipa bidang pemanas (Setyardjo Djoko, 2013). Ketel uap pipa-pipa air mempunyai keuntungan-keuntungan sebagai berikut: volume air relatif lebih kecil sehingga pemanasan awal lebih cepat, dalam waktu yang singkat telah dapat memproduksi uap, sanggup bekerja pada tekanan tinggi, mempunyai kapasitas total uap yang besar dan berat ketel yang relative ringan dibandingkan kapasitas ketel. Beberapa kelemahan pada ketel uap pipa-pipa air: air isian harus selalu bersih, lebih-lebih bila bekerja pada tekanan tinggi karena sedikit saja terjadi pengendapan minyak atau pembentukan batu ketel akan dapat menimbulkan over heating (panas berlebih yang terjadi dalam pipa yang tersumbat oleh kotoran yang membatu menyebabkan pipa ai mudah pecah), konstuksinya lebih rumit, pemeliharaannya sulit dan membutuhkan biaya yang mahal, membutuhkan pemakaian pengatur otomatis pada beberapa alat operasional ketel, perlu berhati-hati betul menjaga tenangnya air dalam ketel, karena produksi uap sangat cepat. BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Ketel Uap Pipa Air Ketel uap jenis ini mengalirkan uap di dalam pipa-pipa, sedangkan pemanasan air dilakukan gas-gas uap yang beredar disekitar pipa-pipa tersebut. Luas pemanas air ketel ini dibentuk oleh pipa-pipa yang berdinding tipis dengan garis tengah yang kecil. Oleh karena itu pada ketel pipa air terjadi transfer panas yang cepat pula. Ketel uap pipa-pipa air biasanya mempunyai tabung separator pada drum uap atas yang berfungsi untuk memisahkan antara uap dan air (Setyardjo Djoko, 2013). 2.2. Sirkulasi Air Masuk Ketel Bagian bawah yang paling ujung pipa dihubungkan dengan pipa pengumpul (collector pipe), sedangkan pipa bagian atas menyambung dengan drum ketel uap. Pada bagian belakang pipa konveksi susunan pipa antara drum atas dengan dum bawah tersusun beberapa pipa seperti sebuah sisir yang tersusun rapi. Dengan bentuk dan konstruksi pipa tersebut boiler ini termasuk bersirkulasi alam. Terjadinya pemanasan di dalam ruang dapur tadi membuat penguapan di dalam
2 pipa-pipa yang tersusun di dalam dapur menjadi gelembung-gelembung uap naik keatas menuju boiler drum. Oleh karena itu pada pipa ketel pipa air terjadi transfer panas yang cepat pula. Ketel uap pipa-pipa air yang biasanya mempunyai tabung separator pada drum uap atas yang berfungsi untuk memisahkan antara uap dan air (Setyardjo Djoko, 2013). Pada ketel uap tekanan tinggi yang modern dan berkapasitas besar ada pemisahan mekanik (mechanical separation) yang membantu atau melengkapi pemisahan gravitasi dan berlangsung dalam dua langkah, yaitu langkah pemisahan primer dan sekunder (A.T. Brown and S.M. Marco Mc Graw, 2012). Disaat tekanan tinggi, dimana perbedaan antara densitas air dan uap kecil, digunakan gaya sentrifugal, yang lebih besar dari gaya gravitasi. Peralatan pemisah sentrifugal juga disebut pemisah stklon (cyclone separator) atau pemisah turbo (turbo separator). Alat ini melakukan pemisahan pada tekanan mendekati tekanan kritis. Pada separator sentrifugal, biasanya campuran yang datang dari pipa penaik dibelokkan secara tangensial ke bawah badan utama air. 2.2 Bahan Bakar Bahan bakar yang digunakan adalah batubara. Batubara adalah istilah umum yang meliputi sejumlah besar bahan galian organis yang sifat-sifat dan komposisinya sangat beragam. Namun semuanya banyak mengandung unsur karbon berbentuk amorf (tanpa struktur yang beraturan). Bahan ini terdapat di bumi dalam lapisan endapan yang tebalnya berbeda-beda dan sering terdapat jauh di dalam tanah. Batubara diklasifikasikan dalam berbagai cara menurut sifat-sifat kimia dan fisikanya. Sistem yang paling umum digunakan adalah American Society for Testing and Material (ASTM). Perhimpunan pengujian dan bahan di Amerika Serikat, membagi-bagi atas berbagai kwalitas batubara berdasarkan bentuk dan struktur di bawah pengaruh suhu, tekanan, dan air. Klasifikasi ini mencakup batubara mulai dari yang paling rendah, yaitu lignit sampai yang tertinggi, yaitu antarasit (ASTM D 388). Klasifikasi ini kita uraikan secara singkat di bawah ini dari yang tertinggi sampai yang terendah (A.T. Brown and S.M. Marco Mc Graw, 2012). 2.3 Sistem Peredaran Bahan Bakar Batubara relatif lebih murah dibandingkan dengan bahan bakar jenis cair. Jarak angkutan dari terminal batubara relative dekat lebih kurang 15 km sehingga angkutan transportasi relatif stabil. Untuk menjamin suatu kelancaran operasional serta kontinuitas, maka sistem supply dari bahan bakar hendaknya selalu dalam pengawasan kontinyu pula. Pada boiler yang penulis uraikan ini sistem dan tata cara penyuplaian bahan bakar batu bara (Brown AT & Marco SM, 2012) adalah:
3 - Armada truk pengangkut secara rutinitas mengambil batubara dari PT. Bukit Asam Tarahan, sesampainya di lokasi lapangan Boiler (stock pile) batubara dicurahkan langsung ke lokasi lapangan yang kemudian disusun oleh alat penyusun (loader) untuk merapikan batubara di stock pile. - Untuk pengisian bahan bakar kedalam boiler disediakan sebuah bucket dengan lift pengangkut yang dicurahkan (diisi menggunakan loader) dan ditransportasikan menuju hopper boiler (bak penampang batubara) sampai penuh. Peralatan pembakar untuk batubara menggunakan rantai bakar yang berfungsi sebagai ban berjalan untuk memasukkan bahan bakar ke dalam tungku, yang dalam hal ini adalah tungku bawah. Penggunaan angin bawah atau udara primer yang telah dulu dipanasi di dalam pemanas udara, akan mempercepat tercapainya temperature penyalaan dari batubara segar, yang demikian tidak diperlukan lagi tambahan tembokan tungku yang melengkung menjorok jauh kedepan. Luas rangka bahan bakar diperhitungkan terhadap hasil perbanyakan antara panjang dan lebar rangka bakar. Sebagai lebar diambil jarak antara kedua tepi kolom pendingin, sedangkan untuk panjang dihitung mulai dari pintu sorong sampai ujung permulaan penahan abu (ash scraper). Rangka bakar lebar maksimalnya 7 meter, panjang maksimalnya 9 meter (Brown AT & Marco SM, 2012). 2.4 Sistem Peredaran Uap Jika uap kering dipanaskan lebih lanjut maka uap tersebuit menjadi uap panas lanjut dan selanjutnya dapat dianggap sebagai gas sempurna. Pada ketel uap, pembentukan uap terjadi karena adanya pelepasan kalor yang ditimbulkan sebagai akibat pembakaran bahan bakar dengan udara kemudian kalor ini diserap oleh air melalui dinding-dinding ketel atau melalui pipa-pipa api. Pada prinsipnya uap dapat dibedakan menjadi: - Uap jenuh (Saturated Steam) - Uap panas lanjut (Superhead Steam) 2.4.1 Uap Jenuh (Saturated Steam) Uap jenuh adalah uap yang masih dalam keadaan labil. Dikatakan labil karena apabila sampai terjadi penurunan temperature maka kondisi uap berubah menjadi air kembali, tetapi bila pemanasan terus dilanjutkan maka akan terus berbentuk uap. 2.4.2 Uap Panas Lanjut (Superhead Steam) Uap panas lanjut adalah uap jenuh yang dipanaskan lanjut pada superheated. Uap panas lanjut juga sering disebut uap kering. Pada uap yang dipanaskan lanjut tidak lagi mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan (P) dan temperature (Tu).
4 Kalor zat cair adalah kalor yang diperlukan untuk memanasi suatu massa air dari suhu 0 0 C sampai dengan suhu tertentu dalam satuan kcal/kg. Kalor penguapan adalah kalor yang diperlukan untuk memanaskan suatu massa air pada suhu penguapan menjadi uap jenuh dengan suhu yang sama dalam satuan kcal/kg. Enthalpi adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan air menjadi uap dalam satuan kj. Enthalpi jenis adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan air tiap satuan massa dalam satuan kcal/kg. 2.5 Peredaran Gas Panas Sirkulasi gas terjadi karena hembusan kipas udara tiup dan kipas penghisap gas bekas yang digerakkan oleh motor listrik, karena jika mengandalkan sirkulasi alami saja laju pemanasan dalam dapur tidak dapat ditingkatkan. Aliran gas panas itu sebagai berikut: mula-mula gas asap hasil pembakaran memanasi pipa dalam ruang dapur, kemudian dipaksa naik ke dalam ruang superheater, disini gas dibelokkan melalui pipa-pipa pemanas air (ekonomisioner), sehingga dengan demikian panas yang terkandung di dalam gas asap dapat dimanfaatkan semaksimal mungkin. Sedangkan gas uap bekas dengan suhu yang relative rendah keluar melalui udara luar melalui cerobong. BAB III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Data-Data Ketel Uap Data-data diambil dari survei lapangan: Kapasitas Terpasang = 10,00 ton uap/jam Tekanan Uap = 25,00 kg/cm 2 Temperatur Uap Keluar Superheat = 400,00 0 C Bahan Bakar = Batubara Nila Pembakaran = 5.300,00 kcal/kg 3.1.1. Temperatur Ruang Pembakaran Suhu udara masuk pembakaran Panas jenis udara = 30,00 0 C = 0,24 kcal/kg 0 C 3.1.2. Luas Panas Ekonomiser Ekonomiser adalah suatu alat penukar panas yang digunakan sebelumair masuk ke dalam drum ketel yang berfungsi menaikan temperatur air, sebagai berikut: Temperatur gas asap masuk ekonomiser (tg 1 )= 320,00 0 C Temperatur gas asap keluar ekonomiser (tg 2 ) = 180,00 0 C Temperatur air masuk ekonomiser (tw 1 ) = 60,00 0 C
5 Temperatur air keluar ekonomiser (tw 2 ) Kapasitas air mengalir tiap jam (m ek ) Cp air = 170,00 0 C = 10.000,00 kg/jam = 1,00 kcal/kg 0 C 3.1.3. Pipa Air Pengumpul Material pipa pengumpul Diameter luar pipa = 21,91 cm Tekanan air dalam pipa pengepul = 25,00 kg/cm 2 Temperatur air dalam pipa pengepul = 229,00 0 C 3.1.4. Luas Panas Pipa Air Co = Faktor Stefan Bolzman = 0,17 = Emissivity besi = 0,80 3.1.5. Boiler Drum Tekanan boiler drum = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap dalam drum = 224,00 0 C Diameter luar boiler drum = 160,00 cm Material boiler drum = 15,00 M 3 3.1.6. Superheater Diameter luar dari pipa = 31,80 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 315,00 0 C Material Pipa = SA 213 TP 304 3.1.7. Colector Superheater I A Diameter luar dari pipa = 20,90 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 296,00 0 C Material Pipa = SA 213 TP 304 3.1.8. Colector Superheater I B Diameter luar dari pipa = 20,90 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 315,00 0 C Material Pipa = SA 213 TP 304 3.1.9. Luas Panas Superheater
6 Temperatur gas asap masuk superheater Temperatur gas asap keluar superheater Temperatur air masuk superheater Temperatur air keluar superheater Cp air = 950 0 C = 620 0 C = 229 0 C = 400 0 C = 0,445 kcal/kg 0 C 3.1.10. Neraca Panas M u = Uap yangdihasilkan ketel = 10.000,00 kg/jam B e = Banyaknya batubara yang tebakar tiap jam= 1.617,00 kg/jam h s = Entalphi uap keluar ketel pada temperature 400,00 0 C dan tekanan 25,00 kg/cm 2 = 773, 83 kcal/kg h a = Enthalpi air pada tempertur 80 0 C = 80,00 kcal/kg 3.2. Alat-Alat Bantu 3.2.1. Kipas Udara Pembakaran Kapasitas udara masuk Tekanan udara masuk Putaran Temperatur udara masuk = 20.300 m 3 /jam = 2.236,00 Pa = 1.450,00 rpm = 30 40 0 C 3.2.2. Kipas Gas Bekas Kapasitas udara masuk Tekanan udara masuk Putaran Temperatur udara masuk = 34.000,00 m 3 /jam = 3.227,00 Pa = 1.450,00 rpm = 200,00 0 C BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Penelitian Konstruksi Ketel Detail konstruksi dari sistem ini dirancang sehubungan dengan spesifikasi sebagai berikut: Kapasitas maksimum : 10,00 ton/jam Tekanan uap : 25,00 kg/cm 2
7 Temperatur uap keluar superheater Bahan bakar Nilai Pembakaran : 400,00 0 C : Batubara : 5.300,00 kcal/kg bahan bakar 4.1.1. Perhitungan Ekonomisioner Ekonomisioner adalah suatu alat penukar panas yang digunakan sebelum air masuk kedalam drum ketel yang berfungsi menaikkan temperatur air. Untuk menghitung kalor yang diterima air pengisi pada ekonomisioner kita menggunakan rumus: q eko = G. Cp. t kcal/jam q eko = Kalor yang diterima oleh pengisi air G = Massa air yang lewat ekonomisioner Cp = Panas jenis air = 1,00 kcal/kg 0 C t = Selisih air masuk dan keluar ekonomisioner adalah 90,00 0 C q eko = G. Cp. t kcal/jam = 10.000,00 x 1,00 x 90,00 = 90.000,00 kcal/jam Dengan adanya sistem pemanas tersebut kita dapat menghemat pemakaian batubara sebanyak: 90.000,00 / 5.300,00 = 169,80 kcal/jam. A. Luas Panas Ekonomisioner Temperatur gas asap masuk ekonomiser (tg in ) Temperatur gas asap keluar ekonomiser (tg ot ) Temperatur air masuk ekonomiser (ta in ) Temperatur air keluar ekonomiser (ta ou ) Kapasitas air mengalir tiap jam (m eko ) Cp air = 320,00 0 C = 180,00 0 C = 60,00 0 C = 170,00 0 C = 10.000,00 kg/jam = 1 kcal/kg 0 C Dari data di atas luas panas ekonomisioner dapat kita hitung sebagai berikut: Kalor yang diterima oleh air: q eko = 90.000,00 kcal/jam Counter Flow t 1 = (tg in - ta ou ) = (300,00 170.00) = 130,00 0 C t 1 = (ta ou - tg in ) = (180,00 80,00) = 100,00 0 C tm eko =
8 tm eko = = = 114,00 0 C A ek = q eko k. tm eko = perpindahan kalor konveksi dari gas ke air = 50 kcal/m 2 h 0 C A ek = = 157,90 m 2 Luas panas ekonomisioner = 157,90 m B. Bagian-Bagian Ekonomisioner Ekonomisioner terdiri dari dua buah pipa pengumpul, yaitu pipa masuk pengumpul, pipa keluar pengumpul. Ukuran-ukuran kita ambil sebagai berikut: Collector eko = 159,00 mm x 3.075,00 mm Pipa pengalir = 50,00 mm x 1.500,00 mm Material = SA-213-TP304 C. Tebal Pipa Ekonomisioner Untuk menghitung tebal pipa ekonomisioner kita pakai rumus: dt = + C dt = Tebal pipa minimum (mm) p = Tekanan air dalam pipa kita tentukan 25,00 kg/cm 2 do = Diameter luar pipa = 5,70 cm S = Working stress 15.000,00 lb/in 2 = 1054,50 kg/cm 2 C = Faktor kemungkinan pengaruh luar = 1,65 cm dt = + C dt = + 0,165
9 = + 0,165 = 0,241 cm = 2,41 mm D. Jumlah Pipa Ekonomisioner Berdasarkan hasil perhitungan luas panas ekonomisioner yang didapat adalah sebesar = 157,90 m 2 Luas area pipa tiap batang dengan sirip pin sebanyak 50 bh/batang A pi = { (a.b) (7 4.d 2 ) } n (Jackson, James, J., 2012). d = Diameter pipa = 0,051 m b = Lebar sirip = 0,14 m l = Panjang pipa = 1,50 m n Sehingga: A pm = Banyaknya pin tiap batang = 50 bh = { (a.b) (V.d 2 ) } n = { (0,14 x 0,14) (% x (0,051) 2 } x 50 = 0,8779 m 2 Luas area pipa keseluruhan ekonomisioner: A eko = { (A pin ) + (π.d) } Sehingga: A eko = { A pin + (π.d) } n = { 0,8779 + (3,14 x 0,051)} = 1,038 m 2 Maka jumlah pipa dapat dihitung dengan rumus umum yaitu Luas panas seluruh ekonomisioner banyak pipa (n) = Luas panas tiap pipa 1.579,00 m 2 : n = = 152 batang 4.1.2. Perhitungan Pipa-pipa Air Pipa air biasa juga disebut tube wall, seperti yang telah kita jelaskan bahwa ketel pipa air, dimana pipa air itu disusun merupakan screen vertical tube dengan jarak 28,00 mm, panjang pipa per batang 2,90 m, ujung kedua belah pipa itu dihubungkan dengan pipa pengumpul dan dari pipa pengumpul bagian atas dihubungkan dengan pipa boiler drum. Untuk pipa air ini kita ambil diameter luarnya 5,70 cm dan panjangnya 2,90 m, sedangkan untuk tekanan airnya sama
10 dengan tekanan uap boiler drum sebesar 25,00 kg/cm, material pipa dibuat dari SA 213 TP 304. Temperature air dalam pipa menurut tabel adalah 224,00 0 C. A. Tebal Pipa Air Untuk menghitung tebal pipa air kita pakai rumus dt = + C (Jackson, James, J., 2012) dt = Tebal pipa minimum (mm) p = Tekanan air dalam pipa = 25,00 kg/cm 2 do = Diameter luar pipa = 5,70 cm S = Working stress temperature 224,00 0 C = 1.054,50 kg/cm 2 C = Faktor pengaruh luar untuk do >31,80 = 1,65 mm dt = + C dt = + 0,165 = 2,75 mm Tebal pipa air menurut perhitungan 2,75 mm. Menurut normalisasi kita pakai pipa untuk Φ do = 57,00 mm Φ di = 51,00 mm B. Pipa Air Pengumpul Pipa penguapan yang mana konstruksinya dihubungkan dengan pipa pengumpul pada bagian bawah dan atas: Diameter luar pipa = 21,91 cm Material pipa pengumpul = SA-213-TP-304 Faktor pengaruh luar untuk do >31,8 = 1,65 mm dt = + C
11 dt = + C dt = + 0,165 = 0,588 cm = 5,88 mm Tebal pipa air menurut perhitungan 5,88 mm. Menurut normalisasi kita pakai pipa untuk Φ do = 21,90 mm Φ di = 19,70 mm C. Luas Panas Pipa Air Kalor yang diterima ruang bakar q dpr = Nilai kalori bahan bakar x banyak tiap jam batubara = 53.000,00 x 1.617,00 = 8.570.100,00 kcal/jam Radiasi panas yang diterima oleh ruang bakar: q r = Co. A pipa 4-4 [4] Co = Faktor Stefan Boltman = 1,60 kcal/m 2 jam K. A pipa = Luasan permukaan panas pipa penguapan dalam dapur. t api = Suhu dalam ruang dapur bakar = 1.420,00 0 C = 1.693,00 K t pipa = Suhu pipa = 350,00 0 C = 623,00 K A pipa = = = = 94,60 Luas panas pipa air adalah: 94,60 m 2.
12 D. Jumlah pipa air Banyak pipa air diketahui dengan rumus: n = Jadi: A pipa l do = Luas panas pipa air = Panjang pipa air = 2,90 m = Diameter pipa air = 0,057 m n = = = = 182,00 buah pipa Banyak pipa penguapan yang diperlukan = 182,00 buah 4.1.3. Perhitungan Boiler Drum Data-data boiler drum adalah sebagai berikut: Tekanan boiler drum = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap = 229,00 0 C Material boiler drum = 15,00 mo3 Diameter luar boiler drum = 101,20 cm A. Tebal Plat Boiler Drum Berdasarkan buku ketel uap oleh Hasmunie (2014) untuk mencari tebal pipa boiler drum kita pakai rumus sebagai berikut: S = S = Tebal plat boiler drum do = Diameter luar boiler drum v = Faktor keamanan pengelasan = 0,80 k = Koefisien menurut daftar DIN 17006 untuk temperature 224,00 0 C f = Koefisien keamanan = 1,50 C = Faktor kemungkinan pengaruh
13 luar. S = + 0 = = 2,24 cm Untuk lebih aman maka tebal plat boiler drum kita ambil tebal plat boiler drum = 30 mm. B. Tutup Boiler Drum Data-data tutup boiler drum sebagai berikut - Diameter tutup = 46,50 cm - Tekanan boiler drum = 25,00 kg/cm 2 - Material boiler drum = 15,00 mo 3 Berdasarkan data-data di atas tebal tutup boiler drum dapat dihitung dengan rumus empiris: S = + C S = Tebal plat tutup (cm) do = Diameter tutup (cm) p = Tekanan maksimum (kg/cm 2 ) k = Faktor perencanaan =2,50 f = Koefisien keamanan = 1,40 C = Faktor kemungkinan pengaruh luar S > 30 C = 0 S = + 0 = = 2,652 cm Untuk keamanan tebal plat tutup bloiler drum kita ambil 30,00 mm.
14 4.1.4 Perhitungan Superheater Pemanas lanjut superheat atau superheater ialah alat untuk memanaskan uap kenyang menjadi uap yang dipanaskan lanjut. Uap yang dipanaskan lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya yang menimbulkan vakum di tempat daerah ekspansi. Superheater pancaran atau radiant superheater. Superheater kombinasi = superheater + superheater pancaran. Untuk merancang pipa superheater penulis akan menghitung tebal pipa superheat, colectornya saja. A. Superheat IA Untuk menghitung tebal pipa superheat IA, maka dengan data-data dari superheater, adalah: Diameter luar dari pipa = 38,00 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 296,00 0 C Material = SA-213-TP304 Dengan demikian tebal pipa dapat kita hitung dengan rumus: dt = + C Semua ketentuan rumus sama dengan rumus mencari tebal pipa ekonomiser, dimana untuk temperature pipa 229,00 0 C, S adalah 15.000,00 lb/in 2 = 1054,50 kg/cm 2. dt = + C dt = + 0,165 = 0,061 + 0,0165 = 0,226 cm Tebal pipa superheat sesuai perhitungan =2,26 mm. Menurut normalisasi kita pakai pipa dengan Φ do = 31,80 mm Φ di = 26,91 mm
15 B. Colector Superheat IA Untuk menghitung tebal pipa colektor superheat IA dihitung dari data-data superheater IA sebagai berikut: Diameter luar dari pipa = 20,90 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 296,00 0 C Material = SA-213-TP304 Dengan demikian tebal pipa dapat kita hitung dengan rumus: dt = + C = + 0,165 = 0,061 + 0,0165 = 0,568 cm Tebal pipa colector sesuai perhitungan =5,68 mm. Menurut normalisasi kita pakai pipa dengan Φ do = 20,90 cm =31,80 mm Φ di = 193,67 mm C. Superheater IB Untuk superheat IB kita buat sama seperti superheater IA, dengan ukuran sebagai berikut: Diameter luar dari pipa = 38,00 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 305,00 0 C Material = SA-213-TP304 Menurut normalisasi kita pakai pipa dengan: Φ do = 38,00 mm Φ di = 31,00 mm D. Colector Superheat IB Juga untuk collector superheat IB kita buat sama seperti superheater IA, dengan ukuran sebagai berikut: Diameter luar dari pipa = 20,90 mm
16 Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 305,00 0 C Material = SA-213-TP304 Menurut normalisasi kita pakai pipa dengan: Φ do = 38,00 mm Φ di = 31,00 mm E. Superheater II Untuk menghitung tebal pipa superheat II, kita ambil data-data dari pipa superheater II adalah sebagai berikut: Diameter luar dari pipa = 38,00 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap rata-rata = 400,00 0 C Material = SA-213-TP304 Dengan data-data di atas tebal pipa superheater IB dapat kita hitung dengan rumus: dt = + C Dimana ketentuan lain sama seperti superheater IB, untuk temperature uap pada superheat II, 400 0 C, menurut table P5. S = 14.000,00 lb/in 2 = 984,20 Kg/cm 2. dt = + C = + 0,165 = 0,061 + 0,0165 = 0,23 cm Tebal pipa superheat II menurut hasil perhitungan = 23,00 mm Menurut normalisasi kita pakai pipa dengan: Φ do = 38,00 mm Φ di = 31,00 mm F. Colector Superheat II Untuk menghitung tebal pipa collector superheat II, dihitung dari data-data superheater II sebagai berikut: Diameter luar dari pipa = 22,70 mm Tekanan uap rata-rata = 25,00 kg/cm 2
17 Temperatur uap rata-rata = 400,00 0 C Material = SA-213-TP304 Dari data di atas dapat kita hitung tebal pipa collector superheater n dengan ketentuan lain sama seperti superheater IB, diman untuk temperature uap 400,00 0 C, menurut table P5. S = 14.000,00 lb/in 2 = 984,20 kg/cm 2. dt = + C = + 0,165 = 0,061 + 0,0165 = 0,568 cm Tebal pipa colector sesuai perhitungan =5,68 mm. Ukuran pipa collector berdasarkan normalisasi: Φ do = 22,70 cm = 227 mm Φ di = 206,37 mm G. Luas Panas Superheat Temperature gas asap masuk superheat Temperature gas asap keluar superheat Temperature uap masuk superheat Temperature uap keluar superheat Cp uap super heat = 950,00 0 C = 620,00 0 C = 227,00 0 C = 400,00 0 C = 0,445 kcal/kg 0 C Kalor yang diterima oleh uap superheat adalah: q eko = m uap. Cps. (ts 2 ts 1 ) = 10.000,00 x 0,445 (400 227) = 769.850,00 kcal/kg t 1 = (tg in - ta ou ) = (950,00 400,00) = 550,00 0 C t 1 = (ta ou - tg in ) = (620,00 227,00) = 393,00 0 C t sh = = = 547 0 C
18 A sh = Dimana k untuk gas ke gas = 25,00 kcal/m 2 h 0 C Sehingga: A sh = = = 84,20 m 2 Jadi luas panas superheater = 84,20 m 2 H. Jumlah Pipa Super Heater Banyak pipa superheater adalah: n = A sh = Luas panas superheat d sg =Diameter luar pipa superheater = 0,038 m L = Panjang pipa superheater diambil = 8,70 m n = = 68,50 bh Jadi banyak pipa superheater = 68 buah pipa 4.2. Temperatur Ruang Pembakaran Suhu udara masuk ruang pembakaran = 30,00 0 C Panas jenis udara = 0,24 Unsur-unsur yang terkandung dalam bahan bakar: Carbon (C) = 51,31 % Hidrogen (H) = 4,54 % Sulfur (S) = 1,00 % Oksigen (O) = 12,56 % Air (H 2 O) = 14,00 % Nitrogen (N) = 0,93% 4.2.1. Jumlah Kebutuhan Udara Teoritis
19 Kebutuhan oksigen tiap t kg batubara C = 0,5131 = 0,5131 x = 1,368 kgo 2 H = 0,0454 = 0,0454 x 8 = 0,3632 kgo 2 O = 0,1231 = 0,1231 kgo 2 S = 0,0 = kgo 2 Udara yang dibutuhkan: Karena 1 kg udara mengandung 0,233 kgo 2, sehingga udara teoritis yang dibutuhkan: U og = = 8,001 kg udara Rasio 20 % Kelebihan Udara: = 8,00 + = 9,60 kg udara/ kg bahan bakar 4.2.2. Jumlah Gas Asap (Flue Gas) G teo = 12,435 C + 35,483 + 1,125.O + 5,31.S + W + N = 12,435 (0,5131) + 35,483 + 1,125 (0,1231) + 8,531 + 0,14 + 0,0093 = 6,38 + 1,065 + 0,1384 +0,5131+ 0,14 + 0,0093 = 7,7858 kg gas asap / kg bahan bakar G gas = G teo + η ( teo) teo = 11,467 C + 34,48 + 4.31. S = 11,467. 0,5131+ 34,48 + 4.31. 0,01 = 5,8837 + 1,0348 + 0,0431 = 6,9616 Jika, λ = 1,2 < ( teo) = 7,7858 + 1,2 (6,9616) = 7,7858 + 8,354
20 = 16,139 kg gas asap/kg bahan bakar Kalor yang dihasilkan dalam pembakaran 1 kg bahan bakar = kalor gas asap 1 kg bahan bakar. q pembakaran = q gas asap Eff ketel (η) = 90,00 % Penyinaran pada dinding ketel = 30,00 % Cp gas asap = 0,265 kcal/kg 0 C q pembakaran = q gas asap Sehingga: q pembakaran = q gas asap 0,7 x 0,90 x 10.166,74 = 16,139 x 0,265 (t api 30) 6625,54 = 3,947 (t api -30) t api = (6625,54 x 73,947) +30 t api = 1.420,00 0 C Temperatur ruang bakar = 1.420,00 0 C 3 4.2.3. Pemakaian Bahan Bakar Pemakaian bahan bakar tiap jam: B = (Jackson, James, J., 2012) G = Kapasitas uap yang dihasilkan = 10.000,00 kg/jam h a = Entalphi air masuk = 80,00 kcal/kg h a = Entalphi steam keluar = 773,83 kcal/kg η = Efisiensi boiler = 90% q = Nilai pembakaran = 5.300,00 kcal/jam B = = = 1.617,00 kg/jam BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
21 5.1 Kesimpulan Tinjauan ketel uap kapasitas 10 ton/jam, dengan data-data sebagai berikut: Kapasitas = 10,00 ton uap/jam Tekanan = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap keluar superheat = 400,00 0 C Bahan bakar = Batubara Nilai pembakaran = 5.300,00 kcal/kg Hasil Penelitian: - Temperature air pengisi masuk ekonomiser = 80,00 0 C - Temperature ruang bakar = 1.420,00 0 C - Pemakaian bahan bakar tiap jam = 1.617,00 kg/jam - Kalor yang diterima = 6.938.300,00 kcal/k - Temperature air keluar ekonomiser = 170,00 0 C - Luas panas ekonomiser = 157,90 m 2 - Tebal pipa ekonomiser = 2,41 mm - Jumlah pipa ekonomiser = 84,00 bh - Tebal pipa-pipa air = 2,75 mm - Tebal pipa air pengumpul = 5,88 mm - Luas panas pipa air = 94,60 m 2 - Jumlah pipa air = 182,00 bh - Tebal plat boiler drum = 22,40 mm - Tebal tutup boiler drum = 26,50 mm - Tebal pipa superheat = 2,260 mm - Jumlah pipa superheat = 68,00 bh - Luas panas superheat = 84,20 m 2 - Total luas panas boiler = 336,70 m 2 - Kebutuhan udara pembakaran setiap jam = 9,6012 kg/bhn bkr - Panas yang diserap oleh boiler = 8.672.875 kcal/jam 5.2 Saran Suatu ketel uap ditentukan dari pemeliharaan secara rutin/berkala sesuai dengan jadwal yang telah ditentukan dari masing-masing jenis ketel uap sesuai dengan rekomendasi pabrik pembuatnya seperti bahan material, peralatan bantu, sensor penggeraknya, dan aksesoris lainnya agar dapat bekerja sesuai dengan standar yang telah ditentukan, misalnya: tekanan uap, ketinggian air dalam drum, temperatur uap yang dihasilkan yaitu uap superheat, tekanan udara masuk dapur (pada blower hisap dan blower udara tekan) dan sebagainya. DAFTAR PUSTAKA Brown AT & Marco SM, 2012. Introduction Heat Transfer, Hill Book Company New York.
22 Direktorat Jendral Listrik dan Energi Baru Departement Pertambangan dan Energi, Audit Energi Sektor Industri, 2014, Buku I. Djokosetyardjo MJ., 2013. Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Jakarta: Pradya Paramita. Djokosetyardjo MJ., 2014. Ketel Uap, Jakarta: Pradya Paramita. Nasional Energy Conservation Center.COGENERATION, Islamabad, Pakistan Jackson, James, J., 2012, Steam Boiler Operation, McGraw-Hill Book Company, New York Introduction to Heat Transfer, A.T. Brown & S.M. Marco Mc Graw-Hill Book Company, New York, 2012. Wakil M.M.EL, 2012. Intalasi Pembangkit Daya I