TUGAS AKHIR PERENCANAAN KETEL UAP PIPA API DENGAN KAPASITAS 25 TON/JAM DENGAN BAHAN BAKAR BATUBARA Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Taknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun Oleh : YUDHA CIPTANING RAHARJO N I M : D 200 080 040 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2013 i
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul : PERENCANAAN KETEL UAP PIPA API DENGAN KAPASITAS 25 TON/JAM DENGAN BAHAN BAKAR BATUBARA yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya cantumkan sebagaimana mestinya. Surakarta, Juni 2013 Yang menyatakan, Yudha Ciptaning Raharjo ii
HALAMAN PERSETUJUAN Tugas Akhir berjudul PERENCANAAN KETEL UAP PIPA API DENGAN KAPASITAS 25 TON/JAM DENGAN BAHAN BAKAR BATUBARA, telah disetujui oleh pembimbing dan diterima untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dipersiapkan oleh : Nama : YUDHA CIPTANING RAHARJO Nim : D.200 080 040 Disetujui pada Hari : Rabu Tanggal : 26 Juli 2013 Pembimbing Utama, Pembimbing Pendamping, Ir. Sunardi Wiyono, MT Ir. Tri Tjahjono, MT iii
HALAMAN PENGESAHAN Tugas Akhir berjudul Perencanaan Ketel Uap Pipa Api dengan Kapasitas 25 Ton/Jam dengan Bahan Bakar Batubara, telah dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan telah dinyatakan sah untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dipersiapkan oleh : Nama : YUDHA CIPTANING RAHARJO Nim : D200 080 040 Disetujui pada Hari : Rabu Tanggal : 26 Juli 2013 Tim penguji : Ketua : Ir. Sunardi Wiyono, MT... Anggota 1 : Ir. Tri Tjahjono, MT... Anggota 2 : Ir. Subroto, MT... Dekan, Ketua Jurusan, Ir. Agus Riyanto, MT Ir. Sartono Putro, MT iv
v
MOTTO Suatu pekerjaan yang berat akan nampak selalu berat jika kita hanya mendesah, berdiri dan segera lakukan sedikit demi sedikit maka kamu akan merasa betapa mudah pekerjaan itu. Impian, cita-cita hanyalah angan-angan yang tidak pasti, Jawablah dengan ketekunan dan kegigihan semua impian pasti tampak nyata vi
ANALISA PEMBAKARAN PADA KETEL UAP PIPA API DENGAN KAPASITAS 25 TON/JAM DENGAN BAHAN BAKAR BATUBARA Yudha Ciptaning Raharjo, Sunardi Wiyono, Tri Tjahjono Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. Ahmad Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura ABSTRAKSI Ketel uap pipa api adalah jenis ketel yang memiliki banyak pipapipa api yang dimana didalam pipa-pipa api tersebut dialiri gas panas dari hasil proses pembakaran yang kalornya ditransfer ke pipa-pipa api yang dikelilingi oleh air, kemudian air tersebut berubah menjadi uap bertekanan yang nantinya akan digunakan untuk proses industri. Sistem pembakaran pada ketel uap ini menggunakan silinder api yang dilengkapi dengan chain grate, kegunaan dari chain grate itu sendiri adalah untuk tempat pembakaran batubara, udara pembakaran didapat dari blower yang berada disekitar chain grate, gas panas hasil pembakaran batubara nantinya akan menuju lemari api lalu menuju pipapipa api, kemudian lemari asap seterusnya akan menuju ke cerobong, Air isian yang digunakan meliputi tiga jenis sumber awal, yaitu air sungai, air sumur, dan air PAM. Diperlukan adanya perlakuan terhadap air isian ketel agar dapat menjaga kualitas air bebas dari kotoran dan endapan yang dapat mengakibatkan kerak pada silinder api dan pipa api. Dari hasil analisa perhitungan didapat kesimpulan untuk silinder api diameter luar = 3,57 ft, diameter dalam = 3,50 ft, tebal plat = 0,033 ft, panjang = 11,45 ft, bahan plat silinder api = Carbon Steel SA-285 Grade B sedangkan untuk pipa api diameter luar = 0,198 ft, diameter dalam pipa api = 0,172 ft, Tebal plat pipa api = 0,013 ft, panjang = 10,24 ft, bahan pipa api = Seamless Carbon Steel SA-106 Grade B dan untuk drum ketel diameter luar = 2,64 ft, diameter dalam = 12,40 ft, tebal dinding = 0,12 ft, panjang drum ketel = 11,45 ft, Tebal asbes isolasi = 0,07 ft,, bahan plat drum ketel = Carbon Steel SA-285 Grade A. Kata Kunci : Pembakaran, Air isian dan Batubara vii
KATA PENGANTAR Assalamu alaikum. Wr. Wb. Syukur Alhamdulillah, mari kita panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan rahmat-nya sehingga penyusun laporan penelitian ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir berjudul PERENCANAAN KETEL UAP PIPA API DENGAN KAPASITAS 25 TON/JAM BAHAN BAKAR BATUBARA, dapat terselesaikan atas dukungan dari pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, dengan segala ketulusan dan keikhlasan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada. 1. Bapak Ir. Agus Riyanto, MT, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Ir. Sartono Putro, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Bapak Ir. Sunardi Wiyono, MT, selaku Dosen pembimbing utama yang telah banyak memberikan ilmu dan arahan serta bimbingannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT, selaku Dosen Pembimbing pendamping terima kasih atas waktu, pengarahan, saran, dan dorongan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 5. Seluruh Dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, terima kasih untuk ilmu yang telah diajarkan selama berada dibangku kuliah. 6. Ayah dan Ibu tercinta yang telah banyak memberikan dorongan baik moral, material dan do a. Semoga ini menjadi awal langkah sukses ananda. 7. Kakak dan adikku tercinta yang telah memberikan dukungannya demi terselesaikannya tugas akhir ini. viii
8. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2008 yang telah membantu informasi informasi untuk tugas akhir ini. 9. Trivani Meintasari Karsono yang telah membantu menyelesaikan tugas akhir ini. 10. Teman-teman kos yang telah memberi dukungannya demi terselesaikanya tugas akhir ini. Menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca akan diterima dengan senang hati. Wasalammu alaikum,wr.wb Surakarta, Juni 2013 Yudha Ciptaning Raharjo ix
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI HALAMAN PERSETUJUAN HALAMAN PENGESAHAN LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR HALAMAN MOTO. ABSTRAKSI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR SIMBOL i ii iii iv v vi vii viii x xiv xvi xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Pengertian Umum Ketel Uap 1 1.2. Klasifikasi Ketel Uap 2 1.3. Jenis-jenis Ketel Uap 5 1.3.1 Ketel uap Pipa Api 5 1.3.2 Ketel uap Pipa Air 7 1.4. Pembatasan Masalah 9 1.5. Tujuan Penulisan 9 1.6. Sistematika Penulisan 9 BAB II TEORI DASAR 2.1. Perpindahan Kalor pada Ketel Uap 11 2.1.1 Perpindahan Kalor Secara Radiasi 11 2.1.2 Perpindahan Kalor Secara Konveksi 12 2.1.3 Perpindahan Kalor Secara Konduksi 13 2.2. Proses Terbentuknya Uap 15 x
BAB III AIR ISIAN KETEL 3.1. Pengertian Air Isian Ketel 16 3.2. Perlakuan Terhadap Air Isian Ketel 18 3.2.1. Pencegahan Terhadap Buih 18 3.2.2. Pencegahan Terhadap Korosi 19 3.2.3. Pencegahan Pembentukan Kerak dan Lumpur 19 3.1. Spesifikasi Air Isian Ketel 23 BAB IV BAHAN BAKAR DAN PROSES PEMBAKARAN 4.1. Bahan Bakar 25 4.2. Proses Pembakaran 26 4.3. Nilai Kalor Pembakaran Bahan Bakar 27 4.4. Kebutuhan Bahan Bakar 28 4.5. Kebutuhan Udara Pembakaran 28 4.6. Kapasitas Gas Asap Hasil Pembakaran 31 4.7. Temperatur Pembakaran 33 BAB V KONSTRUKSI KETEL UAP 5.1. Silinder Api 35 5.1.1. Perhitungan Silinder Api 35 5.1.2. Kerugian Tekanan Gas Asap dalam Silinder Api 42 5.1.3. Pengecekan Kekuatan Tebal Plat Silinder Api 44 5.2. Pipa-pipa Api 45 5.2.1. Perhitungan Pipa Api 45 5.2.2. Kerugian Tekanan Gas Asap dalam Pipa Api 51 5.2.3. Pengecekan Kekuatan Tebal Plat Api 53 5.3. Drum Ketel 53 5.3.1. Perhitungan Diameter Drum Ketel 53 5.3.2. Perhitungan Tebal Dinding Drum Ketel 57 5.4. Perhitungan Tube Plate 59 5.5. Perhitungan Batang Tunjang 60 xi
5.6. Perhitungan Pipa Tunjang 62 5.6.1. Tinjauan Daerah Luasan I 63 5.6.2. Tinjauan Daerah Luasan II 64 5.6.3. Tinjauan Daerah Luasan III 66 5.7. Perhitungan Lemari Api 69 5.8. Perhitungan Lemari Asap 71 5.9. Perhitungan Cerobong 74 5.10. Konstruksi Pengelasan 79 5.11. Perhitungan Penyangga Ketel 82 5.12.1. Perhitungan Berat Ketel 83 5.12.2. Perhitungan Berat Perlengkapan 91 BAB VI KESETIMBANGAN KALOR DAN EFISIENSI KETEL 6.1. Kesetimbangan Kalor 96 6.1.1. Perhitungan Kerugian Kalor 96 6.1.1.1. Konduktifitas Perpindahan Kalor Konduksi 96 6.1.1.2. Kerugian Kalor Radiasi 99 6.1.1.3. Pemeriksaan Kesetimbangan Kalor 99 6.2. Efisiensi Ketel Uap 101 6.2.1. Kerugian kalor yang terbawa gas asap melalui cerobong 101 6.2.2. Kerugian kalor karena terbentuknya uap air yang disebabkan adanya H 2 dalam bahan bakar 102 6.2.3. Kerugian kalor karena adanya uap air dalam udara 102 6.2.4. Kerugian kalor karena radiasi dan kehilangan yang tidak terhitung lainnya 103 BAB VII PERLENGKAPAN DAN ALAT BANTU KETEL 7.1. Perlengkapan Ketel 104 7.1.1. Pompa 104 xii
7.2. Alat Bantu Ketel 105 7.2.1. Lubang Orang (Man Hole) 106 7.2.2. Safety Valve (katup Pengaman) 107 7.2.3. Gelas penduga 107 7.2.4. Regulator Feed Water Valve 108 7.2.5. Katup Penutup Uap Induk 109 7.2.6. Blow Down Valve (Katup Penguras) 109 7.2.7. Sight Glass (kaca pengintai) 110 7.2.8. Manometer 110 7.2.9. Blower 111 7.2.10. Termometer 112 7.2.11. Electrical Panel Board 112 BAB VIII PENUTUP 8.1. Kesimpulan 114 8.2. Saran 155 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Ketel Uap Pipa Api 5 Gambar 2 Boiler Scocth 6 Gambar 3 Boiler Lokomotif 6 Gambar 4 Ketel Uap Pipa Air 7 Gambar 5 Boiler Babcock & Wilcox 8 Gambar 6 Boiler Benson 8 Gambar 7 Perpindahan Kalor Secara Radiasi 11 Gambar 8 Perpindahan Kalor Secara Konveksi 12 Gambar 9 Perpindahan Kalor Secara Konduksi 14 Gambar 10 Proses Terbentuknya Uap 15 Gambar 11 Profil Silinder 35 Gambar 12 Penampang Silinder Api 41 Gambar 13 Penampang Las sistem Double V-butt Weld 58 Gambar 14 Penampang Pipa Tunjang 68 Gambar 15 Jenis Sambungan Las Double bevel butt 79 Gambar 16 Jenis Sambungan Las Double V-butt 79 Gambar 17 Sambungan Las pada Silinder Api dan Drum 80 Gambar 18 Sambungan Las antara Tube Plate dengan Dinding Ketel 80 Gambar 19 Sambungan Las antara Tube Plate dengan Pipa Api 81 Gambar 20 Sambungan Las antara Tube Plate dengan Batang Tunjang 81 Gambar 21 Sambungan Las antara Tube Plate dengan Batang Tunjang 82 Gambar 22 Kontruksi Penyangga Ketel 82 Gambar 23 Ilustrasi Perpindahan Kalor pada Dinding Ketel 96 Gambar 24 Safety Valve 107 Gambar 25 Gelas Penduga 108 xiv
Gambar 26 Regulator Feed Water Level Control 109 Gambar 27 Blow Down Valve 110 Gambar 28 Manometer 111 Gambar 29 Blower 111 Gambar 30 Electrical Panel Board 112 xv
DAFTAR TABEL Tabel 1 Tabel kadar zat terlarut yang diperbolehkan 18 Tabel 2 Tabel komposisi bahan bakar 26 Tabel 3 Tabel keterangan Electrical Panel Board 113 xvi
DAFTAR SIMBOL Simbol Q = kalor yang dipindahkan Btu/hr k = koefisien panas konduksi Btu/ft hr 0 F A = luas permukaan ft 2 T = temperatur 0 F x = tebal dinding ft r = radius ft L = panjang silinder ft U = konduktansi panas Btu/ft 2 hr 0 F = 3,14 Re = angka Reynolds v = viscositas kinematik [lbm/ft hr] = koefisien kontak bidang lb/ft s = rapat massa fluida lb/ft 2 Nu = angka Nusselt Pr = angka Prandtl h = koefisien konveksi kalor Btu/ft 2 hr 0 F hf = entalpi air isian [Btu/lb] hg = entalpi uap jenuh [Btu/lb] = konstanta Stepan Boltzmann Btu/ft 2 hr 0 F H = heat Btu/hr = efisiensi p = tekanan psi V = volume [ft 3 ] D, d = diameter ft Pf = kerugian tekanan [in gas] f = faktor gesekan xvii