T U G A SR SR A N C A N G PERANCANGA S IK INK L U S E N E R G IP IP A D A K E T E LU LU A P TIPE PIPA AIR D EN GA N KA K A PA SITA SU A P 500 T O N / J A M
Disusu isusun n oleh oleh : DANANR GO N Y SAPUTRA 2471015015 T E K N I KM ESIN F A K U L T A TS E K N O L O GINDUSTRI I I N S T I T U T T E K N O L O GBI U D I U T O MJOA K A R T A 2011 BABI PENDAHULUA N
I.1.
Latar
Belakang
Telah be berab rabad-ab -abad lamanya manusia be endapa patk tkan an tena tenaga ga yang berus rusaha untuk menda makin lama makin be besar, guna membantu dalam memperkembangkan kebudayaannya. Pertama-ta ma tena tenaga ga manus anusia ialah lah seb sebagai agai ten tenaga aga utam tama, kemudian tenaga manusia dibantu denga n tenaga hewan ( kuda ) dan tenaga alam ( an angin, air ) yang usia selalu berus berusah aha a dengan tenaga yang didapatnya sederhana, namun man usia tersebut dan diperbesar sesua i dengan keadaan dan peng penggu gunaa naann nnya ya,, yang tidak terg terga antu ntung oleh leh tek tekana anan alam ters ebut. Untuk memenuhi kebutuhannya manusia kemudian menci encipt ptak akan an berb berbag agai ai jen jenis mesin. S alah tara ketel tel uap, turb turbin in uap, alah satun satunya ya adala adalah h kom kombinas binasii antara bantu lainn innya. Berarti dalam hal ini ketel dan alat ba tel uap memegang generator, pe peran ranan pentin ting dalam me nanggulangi kebutuhan manusia tersebut.
lley tela telah h membuat sebuah mesin Pada tahun 1712 Thomas N e w Comen dan John Calle uap untuk pe mana uap yang dihasilk ilkan oleh perta rtama kalin linya dengan sukses. Yang mana iler), dialirkan pistton alat pem anas (boiler), kedalam mesin uap yang mengangkat pis kepunca sampai k, setelah itu diinjeksikan air ke dalam mesin uap maka kembali kebaw kebawah. ah. tekanan menjadi turun se hing ingga pisto iston n ters terseb ebu ut tertarik kembali Sisitem ini akan menimbulkan tu run naiknya pi piston (reciprocating). Pada tahun 1760 dimana pada saat itu dimulainya revo revolusi lusi ind industri erop eropa, oleh leh James Watt pada tahun model d ari N e w Comen di reparasi tahun 1764 1764.. Dan pada mengembangkannya. Menurut teorinya, bahwa uap tahun 1769 J ames Watt mulai mengembangkannya. adalah suatu media yang elastis dan dapat mengembang hingga vacum. Banyak rancangan-rancangannya d ibuat dengan memakai silinder ( tabung ). Kemudian pada tahun1843 dikembangkan l agi agi oleh oleh Lanca ancash shire ire dan Cornwall dengan bergelom omban bang g yang dip asang membujur dalam tangki air. be berbe rbentuk tuk silinder bergel Dalam kebutuhan pemakaian ketel-ketel uap semak in hari bertam mbah bah ari semakin berta dihasilkan be besar, maka jumlah uap / jam jam, tek tekanan, suhunya pun bertam bertamba bah h jumlah yang be besar. Dalam konstru struk ksi ketel etel-k -ket etel el tan tangki sep seperti erti Lanca ancass hire dan Cornwall jumlah h uap yang makin tidak tidak dapa dapatt mengi engiku kuti ti perk perkem emba bang ngan an,, kare karena na teka tekana nan n dan jumla tingg tinggii karen arena a dise diseba bab bkan kan dind inding ing - dinding dari ketel te ba tel tersebut bal dan be besar sekali sehingga harga dari konstru truksi dari ketel - ketel Lancashir e dan Cornwall terlalu terlalu mahal.
lah suatu alat lat Ketel uap adalah dar
atau tau pesawat
konversi
energi
dimana energi
kimia
i bahan ba bakar diru irubah menjad jadi energi rgi term termal dan pemindahan ener energ gi term termal al yang itu ke fluida kerja ( air ) untuk dipakai pada pro prose sess-pro -prosses di hasilkan dan untuk selan selanjut jutny nya a diruba irubah h menjad enjadii energ energii mekanis tur tinggi, be berte rtempera tur rbin uap. ap. Oleh karen dalam sebuah tu rbin arena itu prinsip rinsip-prin -prinsip sip yang menguraikan tenta tentang ng pera peranc ncan anga gan n d an pr bahasa san n merupakan baha proses kerja system tem ketel tel uap merupakan utama dalam penyus penyusuna unan n pe peran ranc angan ini. I.2. Perancangan
Masalah
Untuk memenuhi kurikulum yang merupakan syarat dalam menyelesaik an stu studi tug tugas merancang dan sem seminar inar.. Penu enulis akan melakukan pro prosses perancangan yang antara lain mencakup ; analisa perhitungan, prosses pera kitan komponen-komponen hingg hingga a menja menjadi di sebu sebuah ah pe pemilih iliha an bahan dan pro siap pakai akai.. mesin ketel uap yang siap
Pembatasan
I.3. Masalah
Untuk membatasi ruang lingku lingkup p perm permasa asalaha lahan, n, penu penulis lis hanya member ikan ikan simula simulasi si pera peranc ncan anga gan n sebu sebuah ah ketel ketel uap pi pipa air jenis siklus uap. bahasan san masalah asalahny nya a antara lain adalah pengertian ketel siklus lus uap, Dimana pem baha bagiananalisa lisa perhi rhi tungan yang diperlukan, bahan ba bakar yang digunakan dan ba ba bagian ketel uap. I.4. Tujuan Perancangan Tujuan dari :
Penulisan
penulisa lisan
pera peran ncangan
ini ini
adalah lah
Untuk menge juga stud tudi kasus pada ketel uap engeta tahu huii seca secara ra mendalam dan jug yan yan g akan akan coba coba dirancang, dan sebag sebagai ai sarana sarana pener penerap apan an peng pengetah etahua uan n yang san sangat pent ent ing ten uap untuk untuk pe tentan tang sebuah ketel tel penulis lis selam lama mengiku ikuti pe perkuliahan. Untuk menerapkan menerapkan
s perencanaan
ilmu
- ilmu yang didap didapat at
diban dibangk gku u
kulia kuliah h
tentan tentang g pr prose
yang sesungguhnya.
yang terjadi Melihat elihat kesala kesalaha han-k n-kesa esalah lahan an ba gaimana cara cara menga engatas tasii masala asalah h tersebut.
dalam sebuah sebuah perancan perancangan gan
dan
i bahan ba bakar diru irubah menjad jadi energi rgi term termal dan pemindahan ener energ gi term termal al yang itu ke fluida kerja ( air ) untuk dipakai pada pro prose sess-pro -prosses di hasilkan dan untuk selan selanjut jutny nya a diruba irubah h menjad enjadii energ energii mekanis tur tinggi, be berte rtempera tur rbin uap. ap. Oleh karen dalam sebuah tu rbin arena itu prinsip rinsip-prin -prinsip sip yang menguraikan tenta tentang ng pera peranc ncan anga gan n d an pr bahasa san n merupakan baha proses kerja system tem ketel tel uap merupakan utama dalam penyus penyusuna unan n pe peran ranc angan ini. I.2. Perancangan
Masalah
Untuk memenuhi kurikulum yang merupakan syarat dalam menyelesaik an stu studi tug tugas merancang dan sem seminar inar.. Penu enulis akan melakukan pro prosses perancangan yang antara lain mencakup ; analisa perhitungan, prosses pera kitan komponen-komponen hingg hingga a menja menjadi di sebu sebuah ah pe pemilih iliha an bahan dan pro siap pakai akai.. mesin ketel uap yang siap
Pembatasan
I.3. Masalah
Untuk membatasi ruang lingku lingkup p perm permasa asalaha lahan, n, penu penulis lis hanya member ikan ikan simula simulasi si pera peranc ncan anga gan n sebu sebuah ah ketel ketel uap pi pipa air jenis siklus uap. bahasan san masalah asalahny nya a antara lain adalah pengertian ketel siklus lus uap, Dimana pem baha bagiananalisa lisa perhi rhi tungan yang diperlukan, bahan ba bakar yang digunakan dan ba ba bagian ketel uap. I.4. Tujuan Perancangan Tujuan dari :
Penulisan
penulisa lisan
pera peran ncangan
ini ini
adalah lah
Untuk menge juga stud tudi kasus pada ketel uap engeta tahu huii seca secara ra mendalam dan jug yan yan g akan akan coba coba dirancang, dan sebag sebagai ai sarana sarana pener penerap apan an peng pengetah etahua uan n yang san sangat pent ent ing ten uap untuk untuk pe tentan tang sebuah ketel tel penulis lis selam lama mengiku ikuti pe perkuliahan. Untuk menerapkan menerapkan
s perencanaan
ilmu
- ilmu yang didap didapat at
diban dibangk gku u
kulia kuliah h
tentan tentang g pr prose
yang sesungguhnya.
yang terjadi Melihat elihat kesala kesalaha han-k n-kesa esalah lahan an ba gaimana cara cara menga engatas tasii masala asalah h tersebut.
dalam sebuah sebuah perancan perancangan gan
dan
B A B II TINJAUAN PUSTAKA
II.1. Uap
Klasifikasi lasifikasi
Ketel
Ada banyak klasifik ifikasi ketel tel ket el uap yang utama ; II.1.1. Api
Ketel
- ketel tel
lorong
uap, berik rikut
ini diberikan
Api dan Ketel-ketel
beberapa
klasifikasi
Pipa
Yaitu ketel-k etel-kete etell api api dan gas asap yang digunakan untuk memanasi air dan uap, ak an melalui silin pipa - pipa ataupun ilinder api, lorong - lo lorong api, dan pi fire duct, fire pipes and fire tube ), tabung - t abung api ( fire cylinder, bagian n luarnya terdapat air dan uap. yang di bagia Jenis ketel - ketel uap yang tergolong dalam ketel etel loro lorong ng api api atau atau ketel etel pip pipa yang yang hanya hanya m a m p u ap i adalah ketel - ketel uap kecil serta serta sed sederhana, memproduksi u ap sampai maksimum sebanyak 10 ton ton uap uap / jam jam, dengan tekanan maksimum 24 kg / c m2. Jadi tergolong ketel - ketel untuk tek tekanan anan ren rendah dah. Ketel - ketel ini merupakan awal dari pembuatan ketelKetel - ke ketel ini umumnya mempunyai isi air yang cukup ke tel selanjutnya. ketel dan karena itu sering disebut be besar, s ehingga merupakan tangki, ketel tel tan tangki. Yang termasuk dalam golongan ini ialah ketel - ketel : ketel cornwall dan ketel Lancashire ketel tel sch schots dan ketel schots kembar ketel kombinasi antara silin pipa api, serta ilinder api, lorong api, dan pi pi pip uap, besert serta a bebera erapa a variannya ketel lokomotip dan lokomobil Ketel - kete ketell tega tegak k, ketel etel coch cochra ran n dan variannya
U m u m n y aketel manu
- ketel
tersebut
dapat dilaya ilayan ni masih dap
dengan tangan
(
al ). II.1.2. Biasa
Ketel-ketel
Pipa Pipa
Api
yang ang
didalam m pip pipa-p a-pipa ipa atau atau tabun tabung g - tabung, Yaitu itu ketel - ke ketel air atau uap didala yang di pa Ketel - ketel pipa air panasi oleh leh api atau tau asap dibagian luarnya. ini pada umun ya be / cm2 sampai dengan 140 kg / berte rtekanan sed sedang antara tara 45 kg / cm2 cm2, dengan produ / jam nya. Jenis-jenis produ ksi uap mencapai 1.000 ton uap / jam ketel ini mempunyai efisie n total yang lebih besar dari ketel - ketel pipa api. tidak lagi dila ilayani oleh Peralatan - pe perala ralata tan n pada ketel ini umunya sudah tid tangan ( manual ). II.1.3.
Ketel tel
- ketel tel
Pipa Pipa
Air Air
denga dengan n
Perencanaan
Khusus Ketel - ketel pipa air jenis ini direncanakan ma ksud, antara lain : digunakan untuk tekanan - tekanan tinggi dan tekanan melebi hi 225 kg / cm2 untuk dapat menggunakan bahan bakar nuklir
dengan berbagai
superkritis,
untuk dapat menggunakan air dengan kualitas agak rendah untuk memperbesar beban tungku ketel atau untuk memperbesar angka perpin dahan panasnya dan untuk maksud-maksud lainnya. Yang termasuk dalam golongan ketel - ketel pipa air dengan perencanaan khusus ia lah : ketel Siklus Ganda ( binaire cycle boiler ), dengan variannya berupa reaktor nuklir. ket el / ketel - ketel untuk tekanan superkritis, yaitu ketel Benson, ketel Sulze r dan ketel Universal Pressure Boiler. steam boiler ) yang ketel Loffler atau ketel siklus uap ( circulating me mungkinkan penggunaan air dengan kualitas agak rendah. dengan maksud ketel Velox dan ketel - ketel dengan tungku bertekanan, me mperbesar beban tungku serta memperbesar angka perpindahan panasnya ketel Merkuri, yang menggunakan air raksa dan uapnya.
Ketel - ketel jenis ini di desain dengan maksud untuk menyempurnakan ketel ket el pipa air yang telah ada sebelumnya atau ketel - ketel pipa air yang biasa.
Gambar 1. Uap
Instalasi
U m u m Ketel
Komponen - komponen utama pada ketel Pompa air umpan
1. ketel 2. Ekonomiser 3. Boiler 4. Superheater 5. Alat Pemanas APL) 6. Ruang Bakar 7. CerobongAsap 8. Blower II.2. Ketel Skematik
Udara
Siklus
uap, antara
lain :
(
Uap
dan
Ketel ini adalah ketel jenis pipa air menggunakan sirkulasi paksa. Prinsip kerja utamanya adalah dengan menguapkan air dengan uap panas lanjut dari superheater. Gas panas dari dapur pemanas digunakan untuk pemanasan panas Skema kete lanjut. l ini bisa dilihat pada gambar 2. Air umpan dari ekonomiser dipaksa bercampur dengan uap panas lanjut di dalam drum ). Sehingga terbentuk uap jenuh, dan dru m penguap ( evaporating kemudian ditar ik dari drum dengan pompa sirkulasi uap. Uap ini kemudian mengalir melalui pipa - pipa pada dinding ruang bakar memasuki superheater. uap Sekitar sepertiga ke turbin dan sisanya yang dua pertiga digunakan diteruskan pana s lanjut untuk mengu apkan air umpan di drum penguap.
atau air dari kondensor dipompa Air sebanyak G w ton / jam dari reservoir masuk o leh pompa pengisian menuju ekonomiser. Air yang telah panas yang keluar dari eko nomiser, masuk ke drum penguap. Air yang masuk sebanyak G w ton / jam ke dalam dr um penguap diuapkan oleh yang dipanaskan lanjut yang datang dari pembagi uap. oleh pompa sirkulasi Uap yang terbentuk sebanyak Sc / jam disirkulasikan uap men uju superheater konveksi dan superheater pancaran menjadi uap yang Demikian dipanaskan la njut yang terkumpul di header uap yang dipanaskan. selanjutnya.
Gambar 2. Skematik Ketel Siklus
Keterangan
Uap
Skema Ketel Siklus
Uap :
fan tekan pemanas udara saluran udara panas pembakaran penyediaan bahan bakar masuk tungku fan isap cerobong asap tanki air reverse pompa air pengisian ketel ekonomiser air panas masuk ke drum penguap drum penguap uap kenyang ke superheater superheater konveksi superheater pancaran heater uap yang dipanaskan lanjut uap yang dipanaskan lanjut pembagi uap pembagi uap uap yang dipanaskan lanjut ke drum penguap uap yang dipanaskan lanjut ke turbin turbin uap generator listrik uap bekas menuju kondensor kondensor air pendingin kondensor pompa air kondensor air dari kondensor saluran pengendapan lumpur pengendap lumpur pembuangan lumpur akhir II.3.
Prinsip
Kerja Ketel Siklus
Uap
Didalam ketel ini hanya bersikulasi uap saja, penguapan berlangsung pada dinding penguap yang di tempatkan di luar ketel atau di luar laluan api / gas a sap. Jadi, uap panas lanjut yang dibangkitkan oleh ketel uap ini sebagian dialir kan keluar sebagai produksi uap untuk menggerakan turbin uap. Sedangkan sisa lai nnya dikembalikan ke ketel itu sendiri untuk mengubah air menjadi uap kenyang.
dapat di uraikan sebagai berikut, mula Proses produksi uap yang dihasilkan air ( reservoir ) dipompakan kedalam mul a air dari tangki persediaan ekonomiser den gan menggunakan pompa pengisian air ketel ( boiler feed water pump ). Di dalam e konomiser, temperatur air meningkat tetapi mesin di bawah temperatur penguapan, kemudian air panas tersebut mengalir menuju drum penguap. Pada drum penguapan ai r panas yang berasal dari superheater pancaran dan dari pencampuran ini akan men ghasilkan uap kenyang dengan tekanan dan temperatur tertentu. Uap kenyang yang dihasilkan oleh drum penguap selanjutnya supe rheater konveksi dengan menggunakan pompa sirkulasi.
dipompakan menuju Pada superheater,
konveksi
uap kenyang mengalami peningkatan temperatur dan berubah menjadi uap panas lanju t tetapi belum mencukupi untuk dapat menggerakan turbin uap, untuk itu uap panas lanjut dialirkan menuju superheater pancaran dengan tujuan untuk mendapatkan te kanan dan temperatur yang sesuai untuk menggerakan turbin uap. Uap panas lanjut yang dihasilkan superheater pancaran tidak dipergunakan seluruhnya untuk mengger akan turbin, tapi hanya sebagian dari produksinya dan sebagian sisanya lagi dial irkan kembali ke dalam drum penguap untuk proses pembentukan uap kenyang.
Setelah menggerakan turbin uap tekanan tinggi ( high pressure turbine ), uap pan as lanjut dialirkan kembali ke dalam reheater untuk dinaikkan temperaturnya agar dapat menggerakan turbin uap tekanan rendah ( low pressure turbine ). Uap panas lanjut yang keluar dari turbin tekanan rendah dialirkan menuju kondensor untuk diubah lagi menjadi air pengisian ketel dan selanjutnya proses tersebut berulang kembali secara terus menerus. Sirkulasi pada ketel jenis ini adalah sirkulasi buatan ( forced circulation yang berada diantara ), d isini uap mengalir dengan perantara pompa sirkulasi konveksi. Ciri - ciri khusus dari ketel ini drum pe nguap dan superheater disamping itu penguapan adalah uap yan g dihasilkan berupa uap panas lanjut, air menjadi uap ti dak terjadi pada pipa - pipa penguap melainkan pada drum penguap. Hal ini sangat menguntungkan karena kotoran-kotoran yang terbawa oleh air tidak akan mengendap didalam pipa - pipa yang dapat menyebabkan terganggunya proses perpindahan pana s dari api kecil. Keuntungan lainnya adalah jenis ketel ini dapat menggunakan ku alitas air yang agak rendah. II.4.
Proses Terbentuknya
Uap
Karena pembentukkan uap bergantung pada tekanan, maka proses pembentukkan Bila 1 kg air dengan temperatur di upayakan berada pada tekanan konstant. o C d ipanaskan dalam sebuah bejana tertutup dengan tekanan konstan ( 1 pertama temperatur didih dicapai dan ), maka se lama pemanasan tingkat mulai terbentuk.
uap 200 atm uap
Uap ini dinamakan uap basah ( saturated liquid ), karena masih tercampur antara uap dengan butir – butir air. Apabila semua uap termasuk butir – butir air yang terc ampur dalam uap basah dipanaskan lagi maka akan didapatkan uap jenuh ( saturated vapour ) yaitu keadaan dimana uap tersebut dapat berwujud uap seluruhnya. Jumla h panas yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg air mendidih menjadi uap jenuh pada maka temperatur tekanan konstan dinamakan panas laten, bila pemanasa dilanjutkan uap jenuh itu menjadai naik dan uap itu dinamakan uap panas lanjut ( superheate d vapour ). Pada pembentukan uap pada ketel uap, udara dan bahan bakar dimasukkan kedalam da pur dan terjadi proses pembakaran. Gas – gas hasil pembakaran akan melewati evapor ator, superheater, air heater, dan akhirnya dibuang ke atmosfir melalui cerobong asap. Sedangkan air pengisi, setelah mengalami pemanasan pada uap jenuh daerator, lalu di masukkan kedalam evaporator dan selanjutnya dipanaskan lanjut pada sup erheater dan akhirnya diperoleh uap panas lanjut ( steam ). superheated
Gambar 3. Grafik T - s Pada Pembentukan Uap II.4.1.
Siklus
Thermodinamika
Di susun oleh serangkaian
proses
perubahan
energi
panas yang mengembalikan
proses, satu bagian daya Selama terjadinya kerja fluida ke bentuk asalnya. biasanya b erlangsung konstan. Hal ini termasuk suhu konstan ( isothermal ), tekanan konst an ( isobaric ), volume konstan ( isometric ), entropi konstan ( isentropic ), t
idak ada perpindahan panas ( adiabatic ).
konstan ( throttling
), dan entalphi
Siklus thermodinamika dasar untuk uap adalah siklus Rainkine, yang mencakup pema mpatan isentropic, dan pertambahan panas isobaric, pembesaran isentropic, yang t erakhir pembuangan panas isobaric. Siklus Rainkine untuk system fluida seperti p ada grafik T - s diatas.
Gambar 4. Grafik Siklus
Rankine
Gambar 5. Proses
Rankine
Siklus
Rankine, Terdapat 4 proses dalam siklus keadaan f luida ( tekanan dan / atau wujud ), antara
setiap siklus lain :
mengubah
Proses 1 : Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi. : Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida Proses 2 d ipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh. Hal Proses 3 : Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. in i mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terj adi.
Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekana n dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh. II.5.
Perpindahan
Panas Pada Ketel Uap
Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara, yang berupa api ( menyala ) dan gas ( tidak menyala ) dipindahkan kepada air, uap, ataupun udara, melalui bidang yang dipanaskan ( heating surface ), pada suatu instalasi ketel uap dengan tiga cara : dengan cara pancaran ( radiasi ) dengan cara aliran ( konveksi ) dengan cara perambatan ( konduksi ) II.5.1.
Perpindahan
Panas Secara Pancaran
( Radiasi
)
Perpindahan panas secara pancaran / radiasi adalah perpindahan panas gelombang ant ara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang el ektro- magnetis tanpa tergantung kepada ada atau tidaknya media atau zat dianta ra media yang menerima pancaran panas tersebut. Pemindahan panas secara pancaran dapat dibayangkan berlangsung melalui m edia berupa Aether yaitu suatu jenis materi bayangan tanpa bobot, yang mengisi s eluruh sela - sela ruangan diantara molekul - molekul dari suatu zat tertentu, Molekul a taupun di dalam ruang hampa sekalipun. molekul api yang merupakan hasi l pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan gangguan keseimbangan elektr o-megnetis terhadap aether tersebut. Sebagian dari panas atau energi yang timbul dari hasil pembakaran tersebut, diserahkan kepada aether, dan yang akan menyera hkan lebih lanjut melalui gelombang-gelombang elektro-magnetis kepada benda atau
bidang yang akan dipanasi ( dinding pipa - p ipa ketel dan sebagainya ).
ketel,
dinding
tungku,
lorong
api,
Penyerahan panas dari api atau gas asap melalui aether kepada elektromelalui gelombang - gelombang bi dang yang akan dipanasi tersebut magnetis yang lintasannya Apabila lurus seperti halnya lintasan sinar. lintasan penyerah an panas melalui gelombang - gelombang elektro-magnetis dari eather tersebut ter tutup atau terhalang oleh benda lain, maka bidang yang akan dipanasi tadi tidak akan menerima panas secara pancaran, atau terhalang penyerahan panas secara panc arannya. Dengan demikian bidang yang akan dipanasi hanya dapat me nerima perpindahan panas secara pancaran bila bidang / benda terhalang penglihat an kepada api, maka benda / benda tersebut tidak akan memperoleh panas secara pa ncaran. Semua zat – zat yang memancarkan panasnya ( molekul - molekul api atau gas asap ), intensitas radiasi thermisnya atau kuat pancaran panasnya tergantung d ari temperatur zat yang memancarkan panas tersebut.
Bila pancaran panas menimpa sesuatu benda atau bidang, sebagian dari pan as pancaran yang diterima benda tersebut, akan dipancarkan kembali ( reradiated ), dan sebagian yang lain dari panas pancaran ) atau dipantulkan ( reflected Adapun banyaknya panas yang diterima secara te rsebut akan diserapnya. pancaran ata u Q P berdasarkan rumus dari Stephan-Boltzman adalah sebesar :
hal.24
......ref.1
: konstanta pancaran dari Sthepan- Boltzman yang dinyatakan dalam CZ u le / M2.Jam. o K4 dalam Watt / M2.o K4 atau Bila Cz dinyatakan KiloJo dalam KiloJoul e / M2.Jam.o K4 ,maka Qp dinyatakan dalam KiloJoule / Jam. da lam Watt / M2.o K4 ,maka harga Qp dinyatakan dalam Bila Cz dinyatakan Watt. luas bidang F : yang dipanaskan api ( o K Tapi : temperatur ) Tpl : temperatur dinding sebelah luar pipa ( o K ) .
Adapun besarnya Cz antara lain di tentukan oleh : keadaan permukaan bidang yang di panasi, kasar, halus. bahan benda yang di panasi : besi, tembaga, alumunium, dll. warna bidang benda yang di panasi : hitam, abu-abu, putih. dan lainnya.
1. Tabel Boltzman F M2 T Kelvin
: luas
II.5.2.
Perpindahan
:
Konstanta
Harga
bidang
temperatur
yang
Sthepan-
dipanasi,
dalam
Panas Secara
dalam
o
Aliran
( Konveksi
)
Perpindahan panas secara aliran atau konveksi adalah perpindahan panas y ang dilakukan oleh molekul - molekul suatu fluida ( cair ataupun gas ). Molekul - molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang - melayang kesana kemari m e m bawa sejumlah panas masing - masing q Joule. Pada saat molekul fluida yaitu q1 m enyentuh tersebut dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, yaitu q2 = q – q1 Joule dibawa pergi. joule kepada d inding ketel, selebihnya
Gambar 6. Molekul - molekul
Fluida
Bila gerakan dari molekul - molekul yang melayang-melayang kesana kemari tersebu t disebabkan karena perbedaan temperatur di dalam fluida itu sendiri, maka perpi ndahan panasnya disebut Konveksi Bebas ( free convection ) atau Konveksi Alamiah ( natural convection ). Bila gerakan molekul - molekul tersebut sebagai akibat dari kekuatan mekanis ( karena dipompa atau karena dihembus oleh fan ) maka perp indahan panasnya disebut Konveksi Paksa ( forced convection ). Dalam gerakannya molekul - molekul api tersebut tidak perlu melalui lint asan yang lurus untuk mencapai dinding ketel atau bidang yang dipanasi. Jumlah p anas yang diserahkan secara konveksi adalah ; g
hal.26
......ref.1
: angka peralihan panas dari api ke dinding ketel dinyatakan dalam Kiloj oule / M2. Jam o K atau Watt / M 2 o K. bila dinyatakan KJ / M 2 Jam o K bila dinyatakan KJ / M 2 jam o K maka Q K dinyatakan dalam KJ / jam, s edangkan bila dinyatakan dalam Watt / M 2 o K, maka Q K dinyatakan dalam Watt. F : luas bidang yang dipanasi dinyatakan dalam M 2 T : temperatur di dalam o K .
.
.
.
.
.
Bagian – bagian yang terkena panas secara radiasi atau konveksi adalah : : a. secondary superheater - secara radiasi b. boiler side wall - secara konveksi : a. primary superheater b. ekonomiser II.5.3.
Perpindahan
Panas Secara
Perambatan ( Konduksi )
Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi adalah perpindahan pan as dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan f isik ( kontak fisik atau menempel ), tanpa terjadinya perpindahan molekul – moleku l dari benda padat itu sendiri. Di dalam dinding ketel tersebut, panas akan dirambatkan oleh molekul berbatasan sebelah luar yang molekul d inding ketel dengan api, menuju ke molekul - moleku l dinding ketel bagian dalam yang berbatasan dengan air, uap, ataupun udara. Per ambatan panas melalui benda padat menempuh jarak yang terpendek. Jumlah panas yang dirambatkan
= Q R melalui
dinding
: angka perambatan panas di dalam dinding M .
jam
.
o K atau Watt / M
.
o K
.
ketel
ketel
adalah sebesar :
dinyatakan
dalam Kilojoule
/
bila teta
dinyatakan
dalam KJ / M
.
jam
.
o K maka Q R dinyatakan
dalam KJ / jam,
pi bila dinyatakan dalam Watt / M 2 K maka Q R dinyatakan dalam Watt. S : tebal dinding ketel dinyatakan dalam meter. F : luas dinding ketel yang merambatkan panas, dalam M3. Td1 : temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api. Td2 : temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan air, uap atau udara. Temperatur dinyatakan dalam o Kelvin, untuk selanjutnya panas yang dibawa meramb at oleh dinding ketel tersebut diterima oleh molekul - molekul air, uap ataupun udara dengan cara konveksi pula, yaitu penyerahan sebagian panas oleh molekul - molekul dinding ketel kepada molekul - molekul dinding air, uap ataupun udara. M olekul - molekul air, uap ataupun udara tersebut dalam keadaan mengalir / berger ak, bukan dalam kondisi diam. Dengan demikian penyerahan panas secara konduksi dan konveksi melal ui proses - proses sebagai berikut : panas dialihkan
dari
fluida
bersama-sama
( api atau gas asap ) kepada benda padat (
dinding ketel ) panas dirambatkan didalam benda padat ( dinding ketel ) atau didalam ben da padat berlapis - lapis ( jelaga, dinding ketel, kerak ketel ) panas dialihkan dari benda padat ( dinding ketel atau kerak ketel ) kepa da fluida ( air, uap ataupun udara )
II.6. Uap
Fungsi
Bagian
- bagian
Utama Pada Ketel
II.6.1. Superheater
penting pada unit pembangkit uap. Superheater adalah piranti Tujuannya a dalah untuk meningkatkan temperatur uap jenuh tanpa menaikkan tekanannya. Biasan ya piranti ini merupakan bagian integral dan dari ketel, ditempatkan dijalur gas asap panas dari dapur. Dari gas asap ini digunakan untuk memberikan panas lanju t pada uap. Superheater yang biasanya terpasang pada ketel siklus uap kan oleh gambar 7. diperlihat
Piranti ini terdiri dari dua kotak baja ( heater ), dimana bergantung padanya dari pipa - pipa ini da ri sekumpulan pipa lengkung berbentuk U ujung diteruskan ke header. Uap masuk ke ujung belakang header dan keluar diujung depan header. Pan as yang berlebihan pada pipa superheater dicegah dengan menggunakan damper penye imbang yang dioperasikan dengan handle. Gambar 7. Superheater
Prinsip
Kerja
Superheater bekerja jika damper pada posisi yang ditunjukkan gambar. gas akan lewat langsung di dasar tanpa Jik a damper pada posisi vertikal, Pada kondisi ini maka superheater melewati p ipa - pipa superheater. tidak bekerja, dua katup dalam bekerja. Perlu d icatat bahwa jika superheater Jika uap diambil langsung dari ketel kondisi terbuka dan satu katup tertutup. kedua katup akan tertutup dan satu katup akan terbuka. ,
II.6.1.1.
Dilihat
dari lokasi penempatannya Superheater
dibagi
manjadi : Superheater Konveksi Superheater konveksi menerima panas secara Pana diterima secara konveksi dari s yang sebanyak : P
= 81 Bar
konveksi gas
dari
asap
api atau gas asap.
T
= 477 o C
i ' i '
= i'' + Cp ( Tu – Td ) = 3118,4 KJ / Kg
Panas jenis gas asap dalam hal ini harganya konstan. Jumlah gas asap yan g lewat, Makin banyak tergantung dari jumlah bahan bakar yang dibakar. asap yang dan jumlah ga s terbentuk melewati superheater konveksi tersebut dan sebaliknya, makin berkurang bahan bakar yang dibakar maka makin berkurang juga jumlah gas a sap yang terbentuk. Superheater Pancaran Superheater pancaran menerima panas dari api yang diterima dari api secara pancaran sebanyak :
secara
pancaran.
Panas
= 85 Bar = 301,6 o C = W d + r = 3200,52 KJ /
P T i '' i ''
Kg
dari jenis bahan bakar yang dibakar dan Temperatur api hanya tergantung temperat ur udara pembakaran yang dimasukan ke dalam tungku. Superheater Kombinasi Superheater kombinasi merupakan superhea ter pancaran. Karena superheater
superheater, inasi, sehingga superheate r tersebut
maka karakteristik yang
tersisa
kombinasi
dari
superheater
kombinasi
merupakan
atau sifat - sifat dielim ialah karakteristik
kombinasi yang tidak yang
baik
konveksi
dan
antara
dua jenis baik dapat
dari
kedua
:
mengikuti ( + ) dapat beban ( + ) temperatur uap dapat tinggi ( - ) harganya mahal Kekurangannya ialah harganya yang mahal merupakan eksi ditambah harga superheater pancaran. konv
harga superheater
II.6.2. Reheater
Adalah alat yang digunakan untuk memanaskan uap yang hampir kenyang setelah meng gerakan turbin tekanan tinggi ( H P T ) untuk dijadikan uap panas lanjut kembali d an digunakan untuk menggerakan turbin tekanan rendah ( LPT ) II.6.3. Ekonomiser
Ekonomiser adalah piranti yang digunakan untuk memanaskan air umpan deng an memanfaatkan panas dari gas asap sebelum masuk ke cerobong. Ekonomiser nilai ekonomis ketel uap. Jenis ekonomiser yang populer akan m eningkatkan adalah ekono miser “Greans” dan banyak digunakan pada ketel stasioner.
8. Gambar Ekonomiser Gambar Ekonomiser
Konstruksi
9.
Instalasi
Gambar 10. ekonomiser
Model
sirip
-
sirip
pada
Dilihat dari arus air dan gas asapnya, ekonomiser arus searah ekonomiser arus berlawanan arah ekonomiser arus kombinasi
ekonomiser
dibagi
menjadi :
dari sejumlah besar pipa vertikal Ekonomiser ini terdiri yang di tempatkan sebagai penambahan gas asap antara ketel dengan cerobong seperti terli hat pada gambar 11. Pipa - pipa ini mempunyai panjang 2,75 M, diameter luar 11,4 cm dan tebal 11,5 m m dari bahan besi tuang. Ekonomiser dibuat dalam seksi tegak dari enam atau delapan pipa vertikal Setiap seksi umumnya terdiri ( 1 ). Pipa - pipa ini disambung ke pipa atau kotak horizontal ( 2 ) diatas dan ( 3 ) dibawa h. Kotak atas ( 2 ) dari seksi yang berbeda disambung dengan pipa ( 4 ), sedangk an kotak bawah disambungkan ke pipa ( 5 ). .
Gambar 11. Ekonomiser
Prinsip
Kerja
Air umpan di pompa ke ekonomiser pada ( 6 ) dan memasuki pipa ( 5 ), Kemudian ai r masuk ke dalam kotak bawah ( 3 ) dan kemudian ke dalam kotak atas ( 2 ) melalu i pipa ( 1 ). Air kemudian diarahkan pipa ( 4 ) ke pipa ( 7 ) dan air umpan tidak boleh kemudian ke ke tel. Perlu dicatat bahwa temperatur kurang dari 35 o C, ji ka tidak ada bahaya korosi disebabkan oleh uap air di gas asap mengendap di pipa dingin. menggunakan ekonomiser : Berikut ini adalah keuntungan-keuntungan ada penghematan bahan bakar antara 15 s/d 20 %. meningkatkan kapasitas menghasilkan uap karena memperpendek waktu yang d untuk merubah air ke iperlukan uap. mencegah pembentukan kerak di dalam pipa air ketel, sebab kerak sekarang mengendap di pipa ekonomiser yang bisa dengan mudah dibersihkan.Karena air umpa
n memasuki ketel bisa d iminimalisir .
panas,
sehingga
regangan
yang telah
Seperti
halnya pada superheater
P T
ekonomiser : Air masuk ke ekonomiser, = 90 Bar = 140 o C = ( 303,3 o C – 140 o C Kkal / Kg
W
) W
=
683,74
KJ
/
konveksi
karena
ekspansi
dirancang,
dimana :
yang
pada
tidak sama
Kg : P T W
Air keluar dari ekonomiser, = 85 Bar = 250 o C = 1894,62 KJ /
dimana
Kg II.6.4. Desuperheater
Desuperheater air
adalah
suatu
alat
yang digunakan
untuk
mencampur steam
dengan
dikabutkan ( disemprotkan ). Banyaknya air yang akan disemprotkan dengan temperatur steam yang diperlukan. dikontrol oleh valve sesuai Desuperheater dibuat dari bahan Cr dan Mo. Alat ini terletak setelah outlet temperatur agar tetap pada kondisi yang untuk mengo ntrol superheater, diinginkan. yang
II.6.5.
Drum Penguap
Pada ketel siklus uap ini drum penguap berfungsi untuk menghasilkan uap tertentu dengan cara mencampur uap panas kenyang pada tekanan dan temperatur pancaran dengan air panas yang berasal lanjut yang berasal dari superheater dari ekonomiser Dimana : P = 83 Bar T = 298,56 o C i '' = ( Wd+ r ) i '' = 2750 KJ / kg .
II.6.5.
Evaporator
Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi untuk memanaskan air hingga berubah menjadi uap jenuh, evaporator terdiri atas pipa - pipa air yang disusun dengan jarak sempit agar penyerapan kalor setinggi mungkin. Pipa pipa tersebut adalah pipa evaporator yang berfungsi sebagai pipa penguapan terletak disepanjang dinding yaitu merubah air menjadi uap, pipa evaporator pemba kar ( Furnace ). Air masuk ketel melewati pipa ketel mengelilingi alat pengatur turun ( down corner ) ke mudian mengisi pipa evaporator dan mengalami pemanasan oleh pembakaran bahan bak ar dan air akan mendidih lalu dilakukan proses pemisahan antara uap dan menuju drum ketel oleh separator akan disirkulasikan air. Air yang tersisa kembali ke pi pa evapurator untuk uap tersebut akan dialirkan ke superheater dipanaskan kembali. Selanjutnya untuk dipanaskan lebih lanjut. II.6.6.
Air Preheater
Air heater adalah pemanas udara pendahuluan sebelum dimasukkan kedalam ruang bak ar, sebagai pemanas digunakan gas - gas sisa hasil pembakaran sebelum Pemanasan udara pendahuluan sebelum dimasukkan ke ruang dibuang ke atmosfer. bakar berarti mengurangi kebutuhan untuk menaikkan temperatur udara di dalam ruang bakar, man faat lain dengan memanaskan udara pembakaran terlebih dahulu adalah agar dapat m empercepat penguapan air yang terkandung dalam bahan bakar. Pada P L T U memiliki 2 Air preheater yaitu Air preheater I dan Air preheater II, dan antara air prehea ter tersebut diletakkan ekonomiser, gas - gas sisa pembakaran sebelum dahulu di lewatkan melalui Air preheater dibuang ke atmosfer terlebih II dan Air preheater I untuk dimanfaatkan kalornya. : P T i'
: P T i'
Uap masuk preheater, = 30 Bar = 420 o C = 3180,22 KJ / Kg
dimana
Uap keluar dari preheater, = 27 Bar = 520 o C = 3387,16 KJ / Kg
Keuntungan yang diperoleh adalah :
dimana
dengan memanaskan udara pembakaran ini
api didalam tungku tidak banyak mengalami penurunan temperatur, ini di maksudkan untuk menjaga agar api di dalam tungku tidak padam dengan sendiriny
hal
a.
membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung didalam bahan b akar, khususnya bahan bakar minyak sehingga mempercepat berlangsungnya proses pe mbakaran di dalam tungku. Ada 3 macam pemanas udara atau preheater : pemanas udara pipa pemanas udara pelat pemanas udara regenerasi atau Ljungstrom
Gambar 12. Pemanas Udara Pipa dan Pemanas Udara Pelat Pada pemanas udara pipa, gas asap dialirkan melalui pipa – pipa, sedangkan di sekeliling luar pipa – pipa, sehingga terjadi pertukaran udara d ialirkan panas antara gas asap dengan udara melewati dinding – dinding pipa. Ada pula udara yang melewat luar pipa – i pipa – pipa sebelah dalam, sedangkan gas asap melewati sekeliling pipa Diameter luar pipa – pipa sekitar 20 m m hingga 25 mm, tergantung besar kecilnya pemanas udara atau besar kecilnya ketel uap. Pada pemanas udara pelat, udara dia lirkan diantara pelat – pelat yang berganti – ganti atau berselang seling dengan gas asap sehingga pertukaran antara gas asap dengan udara yang dipanasi melalui din ding – dinding pelat yang dibatasi. .
Gambar 13. Pemanas Udara Regenerasi
atau L J U N G S T R O M
Pada pemanas udara regenerasi atau pemanas udara Ljungstrom terdapat elemen – ele men logam yang untuk sementara waktu ditempatkan pada aliran gas asap, sehingga untuk sementara waktu elemen logam tersebut dipanasi oleh gas asap, kemudian dip indahkan di daerah aliran udara untuk beberapa saat, sehingga Bila elemen udara sempat menga mbil panas dari elemen – elemen logam tersebut. in gin la gi, logam tersebut maka elemen – elemen logam tesebut dibawa telah d kembali ke daerah gas asap u ntuk dipanasi, bila telah panas dibawa kembali ke daerah aliran udara. Demikian dilakukan secara terus menerus II.6.7.
Cerobong Asap
Cerobong asap digunakan untuk mengalirkan gas asap keluar dari ketel uap dengan kecepatan tertentu dan digunakan untuk mengatasi geseran terhadap aliran gas asap, mulai dari rangka bakar atau geseran yang terjadi pembakar ( burner Dengan kata lain untuk menimbulkan isapan ) hingga keluar dari cerobong. cerobo ng atau Stackk Draught. Disamping itu, digunakan untuk membuang gas asap setingg i mungkin sehingga tidak mengganggu lingkungan sekitarnya.
Gambar 14. Cerobong Asap Timbulnya isapan cerobong disebabkan karena perbedaan berat jenis antara berat jenis udara ( B gas J udara ) dengan berat jenis gas asap ( B J asap pad a temperatur gas asap tg o C ). Bila tinggi cerobong dimisalkan t meter dan lua s irisan cerobong A = 1 M2, maka berat suatu kolom udara .
.
.
.
bayangan dengan luas ir isan A = 1 M 2 dan tinggi
t meter,
ialah
:
Gudara = 1 [ M 2 ] x t [ .
J
.
M
] x B
udara [ Kg / M 3
]
kolom yang sama dengan tinggi
Berat kolom gas asap dengan luas irisan ko lom yang sama pula, ialah :
Ggas asap = 1 [ M 2 ] x t [
M
] x B
.
J
.
gas asap [ Kg / M3]
Bila di dasar kolom terdapat tekanan sebesar p [ Kg / M 2 ] maka selisih berat udara dikurangi berat gas asap sebanyak : : ( p x 1 + t B
) : t x ( B
J
.
.
udara x 1 ) – ( p x 1 + t
.
. . . . . .
.
J
.
x B J hal.339
ref.1
.
gas x 1
udara – gas asap ) [ Kg ]
atau Hteoretis, Perbedaan tekanan ini disebut isapan cerobong teoritis isapan ce robong teoritis ini dengan menggunakan asumsi bahwa gas asap tidak mempunyai kec epatan mengalir. ∆ p r ef.1 t
= t x ( B
.
hal.339
J
.
udara – B
= ∆ p : ( B
.
J
.
.
J
.
gas asap ) [ Kg / M 2 ] atau
udara – B
.
J
.
gas asap )
hingga 40 untuk harga - harga ∆ p = 20 m m K A = 20 Kg / M 2 hingga 40 Kg / M 2 .
dan untuk : B gas asap J B J udara .
.
II.6.8.
M
hingga
.
mm
K.A
= 0,733 Kg / M 3 = 1,220 Kg / M 3
.
.
maka harga t = 41
.
......
82
M
Ventilator
Bila isapan cerobong hanya didasarkan kepada isapan cerobong alamiah Lagi pula pada saat mulai saj a, maka cerobong harus dibuat tinggi sekali. menyalaka n api di dalam tungku ( initial firing ), akan didapat kesukaran yaitu sepanjang saluran gas asap temperaturnya masih rendah pada saat itu, sehingga perbedaan a ntara berat jenis udara luar dengan berat jenis gas asap belum begitu besar atau bahkan praktis masih belum ada perbedaan berat jenis sehingga isapan cerobong j uga masih rendah. Dengan demikian sukar dibangkitkan isapan cerobong yang besar pada saat ketel mulai dinyalakan, dengan demikian menyebabkan proses initial fir ing menjadi sangat lamban. Untuk memperbesar harga lapisan cerobong efektif He maka digunakan ventilator - ventilator atau fan, untuk menciptakan isapan cerobong paksa, sehingga ( Hteoretis ) dapat diperbesar. harga isa pan cerobong teoretis Daya Fan=(G_v x Δp ventil
ator)/("
" Fan x 120)
[
KW
]
: jumlah gas asap yang lewat
Gv Fan
: efesiensi
fan
( M 3 / detik )
Gambar 15. Jenis Ventilator Pembersih Ketel II.6.8. Uap Pada ketel
uap terjadi
jenis
pengotoran
- pengotoran
yang disebabkan
oleh :
kerak ketel pada aliran air abu pada aliran api dan gas asap Kerak ketel yang terbentuk pada pipa-pipa penguap, untuk waktu - waktu tertentu harus dibersihkan, agar tidak mengerak pada dinding pipa sehingga dapat menggang gu perpindahan panas dari api diluar pipa kepada air yang ada didalam pipa. Untu k membersihkan kerak ketel dari dalam pipa - pipa digunakan pelocok pipa untuk p ipa-pipa yang lurus, seperti halnya pipa pipa pada ketel siklus uap. Ujung pel ocok pipa diberi kawat baja spiral yang dapat mengorek endapan-endapan kerak pad a pipa.
Gambar 16. Pipa
Pelocok
Untuk membersihkan kerak ketel dari dalam pipa pipa yang panja ng serta melengkung digunakan Bor Pipa. Bor pipa yang dimaksud berupa motor list rik yang pada porosnya terdapat tiga buah engsel - engsel yang masing - masing e ngsel tersebut memegangi sebuah poros. Pada poros tersebut terdapat roda bergeri gi yang dapat berputar. Roda bergerigi tersebut yang diberi akan mengikis lapisan kerak dari dalam pipa. Kabel motor listrik pelindung yang agak kaku namun flek sibel, sehingga dapat dimasukkan kedalam pipa - pipa yang melengkung sekalipun.
Gambar Pipa
17.
Bor
Penangkap Debu ( Dust Collector II.6.9. Praecipitator )
/
Gas asap sebelum dibuang keluar melalui cerobong asap harus dibersihkan dahulu d ari debu atau abu terbang, yang turut terbawa oleh gas asap, agar tidak menimbul kan pengotoran dan polusi sekitar. terhadap lingkungan Ada beberapa macam alat y ang digunakan untuk menangkap debu terbang sebelum gas asap dibuang keluar melal ui cerobong, yaitu :
sistem mekanis kering siklon ( cyclone ) dan multi siklon ( multi cyclone )
system mekanis basah sistem hujan buatan, dan sistem adhesi sistem elektro
statis
Siklon atau cyclone yang perinsip Gas kerjanya didasarkan gaya sentrifugal. Dengan asap yang masih kotor masuk kedalam siklon dengan arah tangensial. dipaksa melakukan pusaran, demikian g as asap di dalam siklon tersebut abu dihempaskan ke dan dinding siklon sehingga butiran - b utiran kebawah sepanjang dind ing yang siklon, sedangkan gas asap menggelincir lebih ringan dari butiran - butiran relatif