TATA UDARA TERAPAN
BOILER (KETEL UAP) Boiler adalah Suatu alat untuk merubah air menjadi uap pada temperature tertentu melalui proses pembakaran. Kalor yang diperoleh dari reaksi pembakaran antara fuel (bahan baker ) dengan udara (O2). Secara garis besar kerja boiler adalah boiler adalah air dengan standar kemurnian tertentu ditransfer dari tangki umpan (feed water tank) tank) menuju menuju boiler boiler dengan dengan mengg menggunak unakan an pompa pompa (feed (feed pump). pump). Kemudi Kemudian an air terse tersebu butt dipa dipana naska skan n deng dengan an api api yang yang diban dibangk gkitk itkan an oleh oleh Burn Burner er secara secara terus terus menerus, menerus, sehingga sehingga air akan berubah menjadi menjadi uap (steam) yang memiliki memiliki tekanan tekanan tertentu. Uap yang terbentuk dari pemanasan air akan berupa uap lanjut dan apabila uap lanjut akan dipanaskan lagi menjadi Uap yang dipanaskan lanjut. Jumlah panas yang dibutuhkan, dilihat dari persamaan dibawah ini: Q = G * Δ entalphi Sehingga;
G = Berat ai air (Kg) Δ entalphi = Entalphi akhir dengan entalphi awal
Untuk Untuk mengu mengubah bah air menjadi menjadi uap membut membutuhk uhkan an sejumla sejumlah h kalor, kalor, yang yang diperoleh dari reaksi pembakaran antara bahan bakar dan udara, yang berupa api (yang menyala) dan gas asap (tidak menyala) dipindahkan ke air, uap atau udara melalui bidang yang dipanaskan atau heating surface. Perpindahan panas pada ketel uap ada tiga cara: 1.
Dengan cara pancaran atau radiasi Perpindahan panas antara suatu benda ke benda lain dengan cara melalui gelombang – gelombang elektromagnetis tanpa tergantung kepada ada atau tidaknya media atau zat diantara benda yang menerima pancaran panas
2.
Deng engan cara cara alir aliran an atau atau konve onveks ksii
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
1
TATA UDARA TERAPAN
Perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul – molekul suatu fluida (cair atau gas) 3.
Dengan cara perambatan atau konduksi Perpindahan panas dari suatu bagian padat ke bagian lain dari benda padat yang sama atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadi persinggungan fisik. Contoh 1
: Berapa jumlah panas yang dibutuhkan oleh 14 kg air dari temperature 29 oC untuk dipanasi menjadi 90 oC ?
Jawa Jawab b : 1 kg air dari dari 0 oC sampai 29 oC,
W29 oC = 121 Kj/ kg
1 kg air dari 0 oC sampai 90 oC,
W90 oC = 377 Kj/ kg
Sehingga untuk memanasi 1 kg air dari 29 oC menjadi 90 oC diperlukan panas sebanyak : Q = Δ entalphi = (W90 oC - W29 oC) = (377 – 121 ) Kj/kg Sehingga Contoh 2
Q = 14 (377 - 121) Kj/kg = 3584 Kilojoule : Berapa banyak panas yang dibutuhkan untuk membuat 15 ton uap per-jam yang dipanaskan dipanaskan lanjut lanjut pada 550 oC bertekanan 80 bar dari air bertemperatur 24 oC ?
Jawa Jawab b
: Q = G * Δ ental entalph phii = G * (i’80 bar; 550 oC – W24oC) G = 15000 Kg/jam i’80 bar; 550 oC
= (i’80 bar; 500 oC – i’80 bar; 600 oC ) : 2
tabel 2
= (3398 + 3641) : 2 = 3519,5 Kj/Kg W24oC
= 24 * 4,187 = 100,5 Kj/Kg
Dengan demikian maka:
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2
TATA UDARA TERAPAN
Q = 15000 * (3519,5 – 100,5) = 51.285.000 Kilojoule per jam Boiler dapat digolongkan berdasarkan atas tekanan kerja dan temperatur, bahan bakar yang digunakan, digunakan, bahan konstruksinya konstruksinya,, condensing condensing atau tidak meng menggu gunak nakan an cond conden ensin sing. g. Dan Dan
digol digolon ongk gkan an berd berdasa asark rkan an
bentu bentuk, k, ukura ukuran, n,
penggunaan penggunaan (untuk pembakaran pembakaran atau atau proses) proses) dan mengg menggunakan unakan air atau uap. uap.
PRINSIP KERJA BOILER
Secara sistematis prinsip kerja boiler adalah sebagai berikut : 1. Air yang disuplay disuplay dari feed feed water water tank kedalam kedalam boiler boiler dengan dengan mengg menggunakan unakan pompa sehingga sehingga air mencapai mencapai level yang telah ditentukan, ditentukan, maka feed pump ini akan bekerja secara otomatis selama level air di dalam boiler masih bergeser bergeser turun mencapa mencapaii batas yang yang telah telah ditentukan. ditentukan. 2. Dan selanjut selanjutnya nya untuk untuk proses proses pembakar pembakaran an dimana dimana fuel pump pump burner burner akan bekerja menahan menahan bahan bakar kedalam kedalam ruang chamber. chamber. Sehingga Sehingga berubah berubah bentuk seperti kabut kabut dan dan menyala menyala untuk untuk proses proses pemanasan pemanasan air. air.
Pembakaran (Combustion)
Reaksi kimia antara bahan baker dengan oksigen (O2) di udara dan menghasilkan panas. Pembakaran Pembakaran tersebut tersebut akan akan menghasilka menghasilkan n CO2 dan Air (H2O).
Bahan Bakar Yang digunakan Dalam Ketel Uap (Boiler)
Jenis-jenis bahan bakar yang dapat digunakan sebagai pemanas boiler : 1. Ligh Lightt oil oil (miny (minyak ak solar solar)) 2. Heavy Heavy oil (miny (minyak ak resid residu) u) 3. I.O.D I.O.D.. (indu (industr strii dies diesel el Oil) Oil) 4. M.F. M.F.O O (Ma (Marin rinee fue fuell Oil) Oil) 5. Gas Gas (Nat (Natu ural ral Gas) Gas) 6. Coal Coal (bat (batu u bar bara) a) 7. Wa Wast stee gas gas (g (gas bua buang ng))
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
3
TATA UDARA TERAPAN
8. Wastewood
Bila dalam 1 kg bahan baker yang terdiri dari C kg karbon, H kilogram Hidrogen, O kg Oksigen, N kg Nitrogen, S kg belerang, A kg abu, W kg Arir, maka dapat dihitung nilai pembakaran atau heaing value dari bahan baker tersebut, yaitu jumlah panas yang dihasilkan dihasilkan dari pembakaran pembakaran yang sempurna sempurna dari 1 kg bahan baker yang dimaksud berdasarkan rumus berikut:
Q
High
QHigh
= 33915 C + 144033 (H – 0/8) +10468 Kj/Kg
QHigh
= 33915 C + 1121423 1121423 (H – 0/8) +10468 Kj/Kg S – 2512 (W +0/8) +0/8)
= Nilai pembakaran pembakaran tertinggi tertinggi atau highest highest heating value value yang dalam hal ini uap air yang yang akan akan terbentu terbentuk k dari hasil hasil pembak pembakara aran n dicairka dicairkan n dahulu dahulu,, sehingga panas hasil pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas pembak pembakaran aran yang yang terbentuk. terbentuk.
QLow
=
Nilai Nilai pembakara pembakaran n terendah terendah atau lowest lowest heating value, value, uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan dahulu, sehingga
panas pengembuna pengembunannya nnya tidak ikut serta untuk diperhitungk diperhitungkan an sebagai sebagai panas pembak pembakaran aran bahan bahan baker baker tersebut tersebut
Contoh Contoh
: Batu Batu bara bara Bukit Bukit Asam Asam dengan dengan kompos komposisi isi 63,5 63,5 % C; 5,8 5,8 % H; 15,2 15,2 % O;0,5 % S ;1 % N; 9% Air;dan 5% Abu.
QHigh
= 33915 C + 0,635 + 144033 144033 (0,058 – 0,152/8) +10468 +10468 * 0.005 0.005 = 27205 Kj/Kg
QHigh
= 33915 C +0,635 + 1121423 1121423 (0,058 – 0,152/8) +10468 * 0.005 0.005 – 2512 (0,09 + 0,152/8) = 25668 Kilojoule /kg
BAGIAN-BAGIAN DARI KETEL UAP
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
4
TATA UDARA TERAPAN
1. Furnan Furnance ce (ruang (ruang pembakara pembakaran) n) berfungsi berfungsi sebagai sebagai tempat tempat berlangsu berlangsungn ngnya ya proses pembakaran pembakaran 2. Alat Alat baker (burne (burner) r) berfungs berfungsii untuk mencap mencapur ur bahan bahan baker baker dengan dengan udara dan dan melakukan pembakaran 3.
Gelas penduga Gelas penduga berfungsi untuk mengetahui tinggi permukaan air dalam ketel hingga dengan mudah operator dapat mengetahui kapan ia harus menambah air pengisi pengisi ketel.
4.
Steam superheater Steam super heater adalah alat untuk memanaskan uap kenyang menjadi uap yang yang dipa dipana nask skan an lanj lanjut ut..
Pema Pemana nasa san n ini ini berf berfun ungs gsii
unut unutk k meng menghi hind ndar arii
(mengu (mengurang rangi) i) kemung kemungkin kinan an timbul timbulnya nya bahaya bahaya pukula pukulan n balik balik (back (back stroke) stroke) akibat akibat menge mengembu mbunny nnyaa uap belum belum pada pada waktun waktunya ya sehingg sehinggaa menimb menimbulk ulkan an keadaan vakum ditempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi. 5. Economiser ser Alat Alat pema pemana nasa san n awal awal yang yang berf berfun ungs gsii untu untuk k mema memana nask skan an air air deng dengan an mengalirkan air dari steam reheater . keuntungan yang diperoleh dari alat ini adalah :
6.
-
Maint ainten enan ance ce coas coastt menj menjad adii lebi lebih h mura murah h
-
Efisi fisieensi Th Thermis dapat di dipee peerbe rbesar sar
-
Biay iaya opera perasi si menjad jadi lebih hem hemat
-
Harg arga inv inveestas stasii ket ketel el menj menjad adii leb lebih ih mura murah h
Air – preheater Alat Alat yang yang digu diguna naka kan n untu untuk k mema memana nask skan an udar udaraa pemb pembak akar aran an sebe sebelu lum m dimasukkan ke dalam tungku dengan memanfaatkan panas tyang terkandung pada steam steam sehingga sehingga efisiensi efisiensi thermis thermis ketel ketel uap dapat dapat dinaikkan. dinaikkan.
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
5
TATA UDARA TERAPAN
Tekanan Kerja dan Temperatur (Working Pressure and Temperature)
Semua konstruksi boiler berdasarkan ASME Boiler and Pressure Vessel Code, •
Section Section IV, berisi berisi untuk untuk Constr Constructi uction on of Heating Heating Boilers Boilers (Low-p (Low-press ressure ure boilers). Untuk kontruksi kontruksi dengan dengan tekanan kerja maksimum maksimum pada 103 kpa untuk steam dan untuk untuk air panas tekanan tekanan kerja maksimum maksimum pada 1100 1100 kpa. Dan temperatur pada boiler untuk air panas sekitar 120 oC. Pengontrolan dan pengaturan pengaturan valve atau katup untuk batas temperatur temperatur dan tekanan tekanan bukan bukan termasuk bagian boiler tetapi harus di buat untuk berjaga – jaga.
•
Secti Section on
I, tenta tentang ng Contr Contruct uctio ion n of Powe Powerr Boile Boilers rs (medi (medium um and high high
pressure boilers). boilers). Dirancang Dirancang pada tekanan tekanan 103 103 kPa kPa (gage) (gage) steam atau ± 1100 1100 kPa atau 120 oC untuk boiler yang menggunakan menggunakan air.
Ketel uap (steam boiler) tersedia dalam ukuran standar dari 17 kW – 30 MW dan Ketel air (water boiler) tersedi dalam ukuran 15 kW sampai lebih dari 30 MW, kebanyak digunakan pada tekanan rendah. CONDENSING & NON CONDENSING
Boiler dirancang untuk dioperasikan tanpa terjadi kondensasi pada gas buang dalam boiler. boiler. Hal ini dilakukan dilakukan untuk mencegah mencegah terjadinya terjadinya korosi korosi pada pada besi besi dan baja. baja. Condensing pada boiler, ada dua type: 1. Fire Fire Tube ube Bo Boiler iler 2. Wa Wate terr Tub Tubee Boi Boile ler r
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
6
TATA UDARA TERAPAN
EFISIENSI (INPUT & OUTPUT)
Efisiensi pada bahan baker boiler dipengaruhi oleh tiga factor: 1. Combustion Combustion efficiency merupakan merupakan nilai nilai input input yang terbuang terbuang pada pada cerobong cerobong asap, asap, dibagi dibagi oleh oleh input. input. Untuk Untuk boiler boiler yang tidak menga mengalami lami konden kondensasi sasi range 75 – 86 %, sedangkan boiler yang ada kondensasi dapat beroperasi pasa range range 88 – 95 % 2. Overall Overall efficienc efficiency y merupakan merupakan besarnya besarnya output output dibagi dibagi oleh input. input. Besarnya Besarnya output dapat diukur pada uap atau air keluar dari boiler. Overall efficiency lebih rendah daripada combustion efficiency dengan persentase heat loss dari permukaan luar boiler dan off cycle energy loses. 3. Seaso Seasonia niall effic efficien iency cy,, Actu Actual al oper operati ating ng effici efficien ency cy dari dari boile boilerr yang yang akan akan tercapai selama masa pemanasan pada saat beban lebih. JENIS – JENIS KETEL UAP
Ketel Uap (Boiler) diklasifikasikan menjadi tiga golongan utama: 1.
Ketel lorong api dan ketel pipa api Yaitu ketel api dan gas asap yang digunakan unutk memanaskan air dan uap. Jenis-jenis ketel uap yang tergolong ke dalam klasifikasi ini adalah ketel uap kecil serta sederhana, yang hanya mampu memproduksi uap maksimum sebanyak 10 ton uap perjam, dengan tekanan maksimim 24 kg/cm 2 . dengan kata lain ketel uap ini tergolong ketel untuk tekanan rendah. Ketel ini umumnya memiliki volume yang cukup besar (tangki) sehinggaa ketel ini sering juga disebut ketel tangki. Ketel ini dapat dijalankan secara manual.
Yang termasuk kedalam golongan ketel ini adalah : a.Ketel cornwall dan ketel lancashire Pada tangki setiap ketel ini terdapat selinder api dengan diameter 0,7 – 0,9 meter. Di dalam selinder api bagian belakang terdapat rangka bakar dengan lebar sekitar 0,65 – 0,85 yang panjang maksimunya dapat mencapai 2 meter.
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
7
TATA UDARA TERAPAN
b.Ketel schoots schoots -
Tekanan maksimal 18 kg/cm2
-
Mahal, ka karena drum ketel be besar se sehingga me membutuhkan
dinding ketel yang tebal -
Mempunyai dua - tiga buah selinder api
c.Ketel kombinasi kombinasi Ketel ini merupakan ketel kombinasi dari ketel schoots,. Ketel kombinasi ini memerlukan dua buah drum ketel, yang satu dibawah yang satu di atasnya. Selinder-selinder api ditempatkan pada drum bawah, sementara itu pipa-pipa api ditempatkan khusus pada drum atas. Kelebihan dari ketel ini adalah memiliki drum yang tipis sehingga dapat menghemat biaya, selain itu pada kotak apinya dapat dipasang pre-heater atau ekonomiser.
d.Ketel lokomotif dan lokomobil Ketel Ketel ini dapat dapat meng mengha hasil silka kan n uap uap seban sebanya yak k 63 kg/m kg/m2 luas luas bida bidang ng yang yang dipana dipanaska skan n (heating (heating surface surface). ). Diatas Diatas rangka rangka bakar bakar dapat dapat dibaka dibakarr batubar batubaraa sampai sampai 500 kg/m2 dalam dalam satu jam atau sekitar sekitar 12.500 12.500.00 .000 0 KJ/m2.jam luas rangka bakar (LRB) untuk jenis batubara yang baik. Keadaan ini membuat ketel ini memiliki sifat fleksibilitas yang tinggi.
e.Ketel-ketel tegak Ketel ini merupakan ketel uap yang paling sederhana, biasanya digunakan untuk produksi produksi uap 0,2 - 1,0 Ton/jam. Ton/jam. Ketel uap ini biasanya digunakan digunakan untuk melayani mesin-mesin penegak atau mesin-mmesin pemancang tiang pancang.
2.
Ketel-ketel pipa air biasa (water tube Boiler)
•
Ketel-ketel ini biasanya bertekanan sedang antara 45 kg/cm 2- 140 kg/cm2
•
Produksi uap mencapai 1000 ton/jam.
•
Mempunyai efisiensi total yang lebih besar dari ketel-ketel pipa api.
•
Bekerja secara otomatis
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
8
TATA UDARA TERAPAN
Yang termasuk kedalam golongan ketel pipa air adalah : a.
Section boiler Ketel ini memiliki water section box) yaitu berupa kotak kecil yang dibuat berkelok-kelok berkelok-kelok dilengkapi dilengkapi dengan dengan evaporator’s evaporator’s pipe. Setiap section terdiri dari; down comer’s pipe, evaporator’s evaporator’s pipe, steam up-riser pipe dan sepasang section box dan section steam.
b.Ketel Yarrow Yarrow Ketel yarrow banyak digunakan di kapal-kapal laut, namun ada juga yang dipasan dipasang g di darat darat sebaga sebagaii ketel ketel pemban pembangki gkitt uap untuk untuk pembang pembangkit kit tenaga tenaga listrik. Pada ketel ini terdapat sebuah ketel utama yang dipasang diatas dan dihubungkan dengan duah buah drum ketel dibawahnya dengan menggunakan pipa pengua penguap. p. Ketel Ketel ini dibuat dibuat dengan dengan kapasitas kapasitas antara 30 – 80 ton/jam. ton/jam.
c.Ketel pancaran pancaran Pipa-pipa Pipa-pipa penguap penguap ketel ini keseluruhannya keseluruhannya menerima menerima panas secara pancaran pancaran dari dari api api di dalam dalam tung tungu, u, sehing sehingga ga pipa pipa-pi -pipa pa peng penguap uap ketel ketel panca pancaran ran ini merupakan dinding tungku keseluruhannya. Panas yang ditransfer secara pancaran terhadap pipa-pipa penguap dan kepada pipa-pipa pipa-pipa pemanas pemanas lanjut lanjut pancaran pancaran sekitar sekitar 40% - 70%.
3.
Ketel pipa air khusus •
Digunak Digunakan an untuk untuk tekanan tekanan tinggi tinggi dan tekanan tekanan superkri superkritis tis (lebih (lebih dari dari 225 kg/cm2)
•
Dapat menggunakan bahan bakar nuklir
•
Dapat menggunakan air dengan kualitas rendah
•
Beban tungku ketel dan angka perpindahan panas besar
Yang termasuk kedalam golongan ketel ini adalah :
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
9
TATA UDARA TERAPAN
Ketel siklus ganda (binaire cycle boiler) Pada ketel ini terdapat dua buah siklus air dan uap yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Siklus primer mengalirair murni absolut dengan tekanan 170 – 190 kg/m2 murni absolut tersebut hanya mengandung H 2O murni tanpa mengan mengandun dung g gas-ga gas-gass lain termasuk termasuk oksige oksigen. n. Air murni murni tersebu tersebutt didapat didapat dengan cara destilasi bertingkat dari air murni teknis. Semantara pada siklus sekunder digunakan air murni teknis (masih mengandung oksigen). Air murni tersebut dipompa pada tekanan 60 – 120 kg/m 2.
Ketel loffer (circulating steam boiler) Di dalam ketel ini hanya bersikulasi uap saja. Penguapaan berlangsunng pada drum penguap yang ditempatkan diluar ketel atau diluar aliran uap/steam. Dida Didala lam m kete ketel, l, uap uap seju sejuml mlah ah Sc ton/ ton/ja jam m dipa dipana nask skan an lanj lanjut ut deng dengan an mensirkulasi uap tersebut pada superheater konveksi (17) dan superheater pancaran pancaran (18) dan mengalirka mengalirkannya nnya ke dalam header header uap. Dari Dari header uap (19) (19) tersebut dibagi menuju Turbin uap (25) sebanyak St Ton/jam Ton/jam untuk memutar memutar generator generator listrik (26) dan sebagian lagi (22) sebanyak (Sc-St) ton/jam menuju penguap penguap (14). Air sebanyak sebanyak Gw ton.jam
dari reservoir reservoir (9) atau air dari
kondensor (31) dipompaa masuk oleh pompa air (11) menuju ekonomiser (12). Air yang telah dipanaskan masuk ke drum penguap (14) lalu diuapkan oleh uap pemanas dari pembagi uap tadi (21). Uap kenyang sebanyak Sc ton./ja ton./jam m disirku disirkulasik lasikan an oleh oleh pompa pompa sirkulas sirkulasii uap menuju menuju ke superhe superheater ater konveksi dan superheater pancaran menjadi uap yang dipanaskan lanjut dan terkumpul di Header uap. Demikian selanjutnya.
Ketel Velox Ketel velox ini diberi tekanan sekitar 3,5 – 6 kg/m2 (melebihi tekanan di luar) besarnya besarnya perpindahan perpindahan panas yang dapat dicapai sekitar 840.000 840.000 – 1.250.000 1.250.000 KJ/m2 0C dari bidang yang dipanaskan hal ini berarti sekitar 420 – 620 kali dibandingka dibandingkan n dengan dengan ketel uap lainnya. lainnya. Untuk mendapatkan mendapatkan tekanan sebesar ini maka maka ketel ketel dilengk dilengkapi api dengan dengan kompre kompresor sor udara. udara. Kompre Kompresor sor ini akan akan
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
10
TATA UDARA TERAPAN
mengkompresi udara sampai suhu sekitar 200 oC – 300 oC, dengan kata lain udara masuk tidak memerlukan pemanasan oleh pemanas udara. Ketel velox dibu dibuat at untu untuk k kapa kapasit sitas as antara antara 30 – 100 100 ton/j ton/jam am uap uap deng dengan an temp temper eratu atur r mencapai 530 oC. Efisiensi thermisnya diatas 90%.
Ketel Merkuri Pada sekeliling tungku tungku ketel ini tedapat pipa-pipa penguap penguap air raksa, air raksa diuapkan pada tekanan sekitar 7 – 10 kg/m 2 dengan temperatur 440 oC – 525 o
C. Uap merkuri yang keluar dari drum air raksa akan memutari turbin untuk
menger mengerakk akkan an generat generator or listrik listrik yang mengha menghasilk silkan an daya daya sekitar sekitar 10.00 10.000 0 – 15.000 KW.
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
11