bab ii landasan teori 2.1 pengertian ketel uap (boiler)
TRANSCRIPT
4
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Ketel Uap (Boiler)
Boiler atau ketel uap adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yang
digunakan untuk memproduksi steam/uap. Steam diperoleh dengan
memanaskan air yang berada didalam bejana dengan bahan bakar. Boiler
mengubah energi-energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk
menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk memindahkan kalor dari suatu
sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar (Purba
2015, 2). Boiler adalah sebuah konteiner dimana diberi air dan dipanaskan,
sehingga air mendidih dan menguap terus menerus menjadi uap. (Malek
2004, 2).
Uap (steam) yang dihasilkan dari boiler digunakan untuk berbagai
proses dalam aplikasi industri, seperti penggerak, pemanas, dan lain-lain.
Pengoperasian Boiler harus sesuai dengan standar operasi yang telah
ditentukan oleh pengguna boiler maupun standar pabrik pembuat boiler itu
sendiri. Standar yang dibuat akan menjamin keamanan dalam pengoperasian,
sehingga akan meningkatkan efisiensi ketel uap sekaligus menekan biaya
operasional (Sugiharto, 56).
Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversi
energi kimia (potensial) dalam hal ini adalah bahan bakar menjadi energi
panas. Boiler/ketel uapterdiri dari 2 komponen utama, yaitu :
1. Dapur sebagai alat untuk mengubah energi kimia (bahan bakar)
menjadi energi panas.
5
2. Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran
(energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas).
Boiler pada dasarnya terdiri dari tabung/bejana (drum) yang tertutup
pada ujung pangkalnya, dan dalam perkembangannya dilengkapi didalamnya
pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap
tergantung kepada sudut pandang masing-masing (Purba 2015, 2).
2.2 Klasifikasi Ketel Uap
Menurut Mohammed A. Malek dalam buku yang berjudul “Power
Boiler Design, Inspection and Repair”, boiler/ketel uap diklasifikasikan
menjadi 5 (lima) jenis, daintaranya ketel uap berdasarkan desain, material,
tipe dan gabungan sperti yang ditunjukan pada gambar berikut:
(Gambar 2.1-Klasifikasi Boiler)
(Power Boiler Design, Inspection and Repair:Mohammed A. Malek)
6
2.2.1 Klasifikasi Ketel Uap (Boiler) menurut Desain
Menurut standart ASME boiler di golongkan menjadi dua, yaitu
power boilers dan heating boilers.
1. Power Boilers (Ketel Uap Daya) adalah ketel uap yang uap hasilnya
digunakan diluar ketel dan memiliki tekanan uap lebih dari 15 Psi.
Ketel uap ini di desain menggunakan standart ASME Sec I.
2. Heating Boilers (Ketel Uap Pemanas). Boiler/ketel uap jenis ini
memiliki tekanan uap berbanding terbalik dari Power Boiler yakni
kurang dari 15 Psi.Boilerpemanas dirancang dengan aturan ASME
Sec IV-Heating Boilers.
2.2.2 Klasifikasi Ketel Uap menurut Material yang digunakan
Menurut Malek, ketel uap juga diklasifikasikan berdasarkan
banyaknya bahan material yang digunakan dalam proses
pembuatannya. Steel (baja) ketel uap ini, pada bagian utama dan bagian
silinder terbuat dari baja. Cast Iron (Besi Tuang) ketel uap yang pada
bagian utama serta silinder tekannya terbuat dari besi tuang (cast iron).
Jenis Cast Iron Boiler (ketel uap besi tuang) dibedakan lagi
menjadi dua, yaitu Horizontal-Section Cast Iron Boiler dan One Piece
Cast Iron boiler. Pada jenis Horizontal-Section Cast Iron Boiler, ketel
uap dibuat menjadi beberapa bagian dan selanjutnya dilakukan
perakitan. Jenis One Piece Cast Iron boiler, pada jenis ini bagian bejana
tekan ketel uap dibuat pada satu cetakan/tidak dipisah.
7
2.2.3 Klasifikasi Ketel Uap menurut Kegunaan
1. Power Boiler (daya) adalah ketel uap yang digunakan sebagai
pembangkit daya. Misalnya PLTU, PLTB, PLTG dan pembangkit
listrik lainnya.
2. Process Boiler (proses), ketel uap ini digunakan pada industri pada
suatu proses fabrikasi atau produksi.
3. Steam Heating (pemanas uap) jenis ketel uap ini dirancang pada
tekanan kurang dari 15 Psi. Uap hasil pemanasan kemudian
digunakan industri sebagai pemanas atau pengering pada suatu
proses yang dibutuhkan.
4. Hot Water Heating (Pemanas Air Panas), ketel uap jenis ini
digunakan untuk menjaga kondisi suhu air agar tetap sesuai dengan
suhu yang dibutuhkan oleh suatu proses industri.
5. Hot Water Supply (Persediaan Air Panas) uap yang dihasilkan oleh
ketel jenis ini hampir mirip dengan jenis ketel pemanas air panas
diatas.Disiniketel digunakan untuk memanaskan air dan menjadi
storage pada persediaan air panas.
6. Hot Water Heater (Pemanas Air). Ketel uap jenis ini memiliki tujuan
yang sama dengan hot water heating boiler dan hot water supply
boiler, namun memiliki perbedaan pada pengoperasian
temperaturnya yakni kurang dari 210 F.
8
2.2.4 Klasifikasi Ketel Uap menurut Tube Type (Tipe Pipa)
a. Ketel Uap Pipa Api (fire tube boiler)
Pada boiler pipa api, fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas
nyala, yang membawa energi panas, yang segera mentransfer ke air
melalui bidang pemanas. Tujuan pipa-pipa api ini adalah untuk
memudahkan distribusi panas kepada air.
(Gambar 2.2-Boiler Pipa Api)
b. Ketel Uap Pipa Air (water tube boiler)
Pada boiler pipa air ini, fluida yang mengalir dalam pipa adalah air,
energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu dari ruang bakar) ke air.
(Gambar 2.3-Boiler Pipa Air)
9
2.3 Perpindahan Panas Pada Ketel Uap (Boiler)
Panas yangdihasilkan dari pembakaran bahan bakar dan udara, yang
kemudian dipindahkan ke airmelalui bidang yang dipanaskan atau heating
surface pada suatu instalasi ketel uap. Cara perpindahan panas ini ada 3 (tiga)
cara, antara lain:
a. Perpindahan panas secara radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas oleh penjalaran
(rambatan) foton (partikel dasar) yang tak teratur. Setiap benda yang terus
memancarkanfoton-foton (partikel-partikel)di dalam arah, waktu, dan
tenagayang dipindahkan oleh foton-foton (partikel-partikel) ini
diperhitungkan sebagai kalor (Reynold dan Perkins,1983).
Qp = CZ x A x [(Tapi : 100)4 – (Tbenda : 100)4] Kj/jam
Dimana:
Qp = radiasi dengan satuan Kj/jam,
CZ = konstanta radiasi dari stephan-bolztman yang dinyatakan dalam
Kj/m2.jam.K4
A = luas bidang yang dipanasi (m2)
T = temperature (K)
b. Perpindahan panas secara konveksi
Bila sebuah fluida melewati sebuah permukaan padat panas, maka
tenaga dipindahkan ke fluida dari dinding oleh panas hantaran. Tenaga ini
kemudian dikonveksikan (convected) ke hilir oleh fluida, dan didifusikan
melalui fluida oleh hantaran di dalam fluida tersebut. Jenis proses
10
perpindahan tenaga ini dinamakan perpindahan tenaga konveksi
(convection heat transfer) (Stoecker dan Jones, 1982).
Qk = h x A x ΔT ( Kj/jam)
Dimana:
Qk = panas konveksi dengan satuan (Kj/jam),
h = Kooefisien konveksi,
A = luas bidang kontak,
ΔT = perubahan temperature (Tapi-Tbenda)
c. Perpindahan panas secara konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan kalor melalui
sebuah proses medium stasioner, seperti tembaga, air, atau udara (Reynold
dan Perkins, 1983). Didalam dinding ketel/boiler, panas akan dirambatkan
oleh molekul-molekul dinding/pipa ketel bagian dalam menuju
dinding/pipa ketel bagian luar yang berbatasan dengan air. Perambatan
tersebut menempuh jarak terpendek (Djokosetyardjo, 1993).
Jumlah panas yang dirambatkan = Qk, melalui dinding ketel adalah
sebesar:
Qk = −kA𝑑𝑇
dx
Qk = k𝐴
L(T1 − T2)
A = luas penampang bidang
L = tebal dinding
Qk = laju panas konduksi yang berpindah
T1 = temperatur dinding pipa dalam
11
T2 = temperatur dinding pipa luar
2.4 ASME (American Society Mechanical Engineering)
ASME adalah organisasi dengan standar tertua di Amerika. ASME
menghasilkan sekitar 600 kode dan standar yang mencakup banyak area
teknis seperti perlengkapan pipa, lift, jaringan pipa, dan sistem pembangkit
dan komponennya.Standar ASME dikembangkan oleh komite ahli materi
pelajaran yang menggunakan proses berbasis konsensus terbuka.Banyak
standar ASME yang dikutip oleh instansi pemerintah sebagai alat untuk
memenuhi tujuan mereka.Standar ASME digunakan di lebih dari 100 negara
di dunia dan diterjemahkan ke dalam berbagai bahasa. ASME berdiri pada
tahun 1880 oleh Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter Worthington, John
Edison Sweet dan Matthias N. Forney sebagai jawaban atas berbagai
kegagalan dalam permasalahan tekanan uap boiler. ASME membentuk
sebuah komite pada tahun 1911 untuk merumuskan aturan/prosedur
perancangan ketel uap dan bejana bertekanan yang kemudian dikenal sebagai
komite ASME Boiler and Pressure Vessel. Komite ini mengikuti prosedur
terakreditasi oleh ANSI (American National Standart Institute).
Pada kode ASME Boiler & Pressure Vessel mengandung 11 bagian:
1. Bagian I - Power Boilers
2. Bagian II - Material Specifications
a. Bagian A - Spesifikasi Bahan Fe
Bagian ini menyediakan spesifikasi material untuk bahan-bahan besi
yang cocok untuk digunakan dalam konstruksi bejana tekan.
12
b. Bagian B - Spesifikasi Bahan Non Fe
Bagian ini menyediakan spesifikasi material untuk bahan nonferrous /
non besi yang cocok untuk digunakan dalam pembangunan pembuluh
tekanan. Spesifikasi Bagian ini menentukan sifat mekanik, perlakuan
panas, panas dan komposisi dan analisis kimia produk, spesimen uji,
dan metodologi pengujian.
c. Bagian C - Spesifikasi untuk Pengelasan, Elektroda
Bagian ini memberikan sifat mekanik, perlakuan panas, komposisi
kimia produk, analisis spesimen uji, metodologi pengujian batang las,
logam pengisi dan elektroda yang digunakan dalam pembangunan
pembuluh tekanan.
3. Bagian III - Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components
4. Bagian IV - Heating Boilers
5. Bagian V - Nondestructive Examination
6. Bagian VI - Recommended Rules for Care and Operation of Heating
Boilers
7. Bagian VII - Recommended Rules for Care of Power Boilers
8. Bagian VIII - Pressure Vessels
9. Bagian IX - Welding and Brazing Qualifications
10. Bagian X - Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels
11. Bagian XI - Rules for In-Service Inspection of Nuclear Power Plant
Components
Bagian, I, II, III, IV, V, VIII, IX, dan XI menetapkan aturan dan
persyaratan untuk pipa. Bagian II, V, dan IX adalah bagian tambahan dari
13
kode karena mereka tidak memiliki yurisdiksi mereka sendiri kecuali
dipanggil oleh referensi dalam kode Rekor untuk konstruksi, seperti Bagian
I atau III (Septian Rio: ASME (American Society of Mechanical Engineers,
2018).
2.5 Spesifikasi Kayu Sengon
Sengon (Albizia chinensis) adalah sejenis pohon anggota suku
Fabaceae. Pohon peneduh dan penghasil kayu ini tersebar secara alami di
India, Asia Tenggara, Cina selatan, dan Indonesia.
Sengon menghasilkan kayu yang ringan dengan densitas (massa jenis)
320–640 kg/m³ dengan kadar air 15%. Jenis kayu padat, berserat lurus dan
kasar, namun mudah dikerjakan. Kayu ini tidak diserang rayap tanah, karena
adanya kandungan zat ekstraktif di dalam kayunya.
(Kayu Sengon)
14
2.6 Prinsip-prinsip Pembakaran
2.6.1 Proses Pembakaran
Proses pembakaran merupakan proses yang terjadi secara
kimia antara bahan bakar/elemen mudah terbakar (combustible
element) dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan energi panas
yang dapat digunakan untuk keperluan manusia. Komponen utama
dari elemen yang mudah terbakar (combustible element) terdiri dari
carbon, hidrogen, dan campuran lainnya. Dalam proses pembakaran,
komponen-komponen tersebut terbakar menjadi karbondioksida dan
uap air. Sebagian sulfur juga terdapat pada bahan bakar (Singer,
1991). Pada suatu 8proses pembakaran, jumlah oksegen yang
digunakan dapat mempengaruhi kualitas pembakaran. Oksigen
memiliki jumlah mencapai 20,9% dari seluruh komponen dari udara.
Bahan bakarakan terbakar pada keadaan normal jika terdapat udara
yang cukup.
Nitrogen dianggap sebagai pengencer yang menurunkan suhu
yang harus ada untuk mencapai oksigen yang dibutuhhkan untuk
pembakaran. Nitrogen dapat bergabung dengan oksigen (terutama
pada suhu nyala tinggi) untuk menghasilkan oksida nitrogen (NOx)
yang merupakan pencemar yang beracun. Karbon, hidrogen, dan
sulfur dalam bahan bakar tercampur dengan oksigen diudara
membentuk karbon dioksida, uap air dan sulfur dioksida melepaskan
panas masing-masing 8.084 kkal, 28.922 kkal, 2.224 kkal. Pada kodisi
tertentu, karbon juga dapat bergabung dengan oksigen membentuk
15
karbon monoksida, dengan melepaskan sejumlah kecil panas (2.430
kkal/kg karbon). Karbon terbakar yang membentuk CO2 akan
menghasilkan panas persatuan bahan bakar dibandingkan
mengahasilkan CO atau asap.
2.6.2 Pembakaran 3 (Tiga) T
Pembakaran yang baik adalah pembakaran yang melepaskan
seluruh panas yang terbakar dalam bahan bakar. Agar mencapai
pembakaran yang baik/sempurna, dilakukan pengontrolan 3T, yaitu
a. Temperature/suhu yang cukup tinggi untuk menyalakan serta
menjaga penyalaan bahan bakar.
b. Turbulence/percampuran oksigen dan bahan bakar yang
seimbang
c. Time/waktu yang cukup untuk pembakaran
Gas alam mengandung kadar hidrogen lebih banyak dari pada
kandungan karbon per kg dari pada bahan bakar minyak. Sehingga
akan memproduksi lebih banyak uap air. Hal ini mengakibakan lebih
banyak panas yang terbuang pada pembuangan. Terlalu banyak atau
sedikitnya bahan bakar pada jumlah udara pembakaran tertentu, dapat
menyebabkan tidak terbakarnya bahan bakar dan membentuk karbon
monoksida. Jumlah O2 (oksigen) tertentu diperlukan untuk
pembakaran yang sempurna dengan tambahan sejumlah udara.
Namun, terlalu banyak udara juga mengakibatkan kehilangan panas
dan efisiensi. Tidak seluruh bahan bakar dirubah menjadi panas dan
diserap peralatan pembangkit. Saat ini hampir seluruh bahan bakar
16
untuk boiler, sudah mengandung sedikit atau tanpa sulfur. Sehingga
tantangan utama pada efisiensi adalah mengarah pada karbon yang
tidak terbakar yang masih menghasilkan CO dan CO2.
(Gambar 2.4-Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak
sempurna)
2.6.3 Persamaan Gas Ideal
Persamaan gas ideal merupakan persamaan keadaan suatu gas
ideal. Persamaan ini pertama kali dicetus oleh Emile Clapeyron 1834
sebagai perpaduan antara hukum Boyle dan Hukum Charles.
Persamaan ini umumnya ditulis sebagai PV = nRT. Dimana P adalah
tekanan gas, V adalah Volume, n adalah jumlah partikel gas, T adalah
temperatur dalam satuan kelvin dan R adalah konstanta gas ideal
(0,08205 L atm/mol K).
(Gambar 2.5-Konversi Temperatur)
17
2.6.4 Energi
Dalam ilmu fisika, energi adalah kemampuan untuk melakukan
suatu usaha. Dalam SI, satuan energi adalah joule. Ada berbagai
macam bentuk energi, namun tipe emergi ini harus memenuhi
berbagai kondisi seperti dapat diubah menjadi energi lainnya,
mematuhi hukum konversi energi, dan menyebabkan perubahan pada
benda bermassa yang dikenai energi tersebut. Bentuk energi yang
umum diantaranya energi kinetik, energi radiasi, energi potensial, dan
energi panas yang terdiri dari energi potensial dan kinetik. Energi
dibedakan menjadi:
1. Energi tersimpan
a. Energi potensial
Adalah energi yang dimiliki oleh suatu zat karena kedudukan
dan kondisinya.
Ep = m.g.h [Joule]
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian (m)
b. Energi kinetik
Adalah energi yang dimiliki suatu zat yang bergerak.
Ek = 1
2(m.v2) [Joule]
m = massa benda (kg)
v = kecepatan (m/s)
c. Energi kimia
18
Adalah energi yang tersimpan karena reaksi kimia
d. Energi nuklir
Adalah energi yang dimiliki suatu zat karena aktifitas paralel
atau molekul-molekulnya.
E = m.c2 [Joule]
2. Energi peralihan
a. Panas (Q)
Adalah energi yang dimiliki suatu zat karena perbedaan
temperatur (ΔT)
dQ = m.c.dT [Joule]
b. Kerja (W)
Adalah energi yang dimiliki suatu zat karena perbedaan (ds)
dW = F.s [Joule]
F = gaya (N)
s = jarak perpindahan (m)
c. Kerapatan (ρ) : m/V
d. Volume spesifik (υ̅) : volume sebenarnya/massa [m3/kg]
e. Berat jenis (γ) : berat/volume [kgf/m3]
f. Tekanan (P) : F/A [N/m3]
(kandi 2010, 5-18)
2.6.5 Debit (q)
Adalah sejumlah besar volume fluida yang mengalir melalui
luas penampang tertentu. Istilah debit dalam hidrologi sinonim dengan
debit aliran yang digunakan pakar hidrologi sungai, dan debit keluaran
19
(outflow) yang digunakan dalam sistem penampungan air, namun
berbeda dengan debit masukan (inflow). Satuan international untuk
menyatakan debit adalah volume per satuan waktu (m3/s), atau (ft3/s)
dalam satuan imperial.
2.6.6 Hukum Poiseuille
Fluida yang tidak memiliki viskositas tidak membutuhkan
gaya untuk mengalir, sebaliknya fluida yang memiliki viskositas
membutuhkan gaya untuk mengalir, dan melawan gaya gesek.
Akibatnya,debit fluida tidak tergantung pada luas penampang dan
kecepatan fluida mengalir. Debit fluida mengalir bergantung pada
kekentalan, jari-jari pipa, dan perbedaan tekanan antara ujung pipa.
Hubungan debit fluida (q), viskositas fluida (μ), perbedaan tekanan
(ΔP), panjang pipa (L), dan jari-jari pipa (r), tersebut dapat dituliskan,
q = (π x r4 x (P1−P2))
(8 x μ x L)
Persamaan inilah yang dikenal dengan rumus Poiseuille yang
diambil dari nama ilmuan Prancis J.L. Poiseullie (1799-1869) yang
merupakan seorang ilmuan fisika.
2.6.7 Neraca Kalor
Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi, rasio penguapan,
waktu pembakaran, permukaan penukaran panas yang kotor, buruknya
operasi dan pemeliharaan. Buruknya kinerja boiler bisa disebabkan
20
oleh buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air, bahkan untuk
boiler yang baru sekalipun.
Neraca panas dapat membantu mengidentifikasi kehilangan
panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat
membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari
efisiensi terbaik dan target untuk tindakan perbaikan. Neraca panas
merupakan keseimbangan energi total yang masuk dan keluar boiler
dalam bentuk yang berbeda (energi masuk = energi keluar)
(UNEP,2008). Sebagai energi masuk atau suplay energi (Qin) adalah
jumlah energi hasil pembakaran bahan baker yang digunakan:
• Energi masuk/suplai
Qin = Wf x (LHV) kJ/jam
Energi keluar (Qout) adalah energi yang diserap oleh air umpan sampai
terbetuk uap dalam ketel/boiler. Jadi energi yang diserap:
• Energi keluar/diserap
Qout = Ws (hu - ha) kJ/jam
Kehilangan energi panas (Qlost) adalah kehilangan panas yang
disebabkan oleh kondisi pembakaran dan peralatan ketel. Jadi secara
sederhana dinyatakan sebagai berikut:
Qlost = [Wf x (LHV)] – [Ws (hu - ha)] kJ/jam
Efisiensi (ɳboiler) =Ws x (hu−ha)
Wf x LHVx100 %
Keterangan: Ws = kapasitas produksi uap (kg/jam)
Wf = konsumsi bahan bakar (kg/jam)
ha = entalpi uap (kJ/kg)
21
hu = entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg)
LHV = nilai kalor pembakaaran rendah (kJ/kg)
2.6.8 Efisiensi Boiler
Efisiensi adalah tingkatan kerja/prestasi kerja dari suatu alat.
Sedangkan efisiensi boiler adalah prestasi kerja boiler atau ketel uap
yang didapatkan dari perbandingan antara energi keluar dengan
masukan energi kimia dari bahan bakar. Untuk tingkat efisiensi pada
boiler atau ketel uap berkisar antara 70 % - 90% (Agung.N 2007).
Terdapat dua metode pengkajian terhadap efisiensi boiler:
a. Metode langsung: atau metode ‘input-output’ karena metode ini
hanya memerlukan output (steam/uap) dan inputan panas (bahan
bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi
dengan menggunakan persamaan:
Efisiensi = (Qin/Qout) x 100%
=Ws x (hu−ha)
Wf x LHVx100 %
Dimana:
Ws = kapasitas produksi uap/steam (kg/jam)
Wf = konsumsi bahan bakar (kg/jam)
ha = entalpi uap (kJ/kg)
hu = entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg)
LHV = nilai kalor pembakaaran rendah (kJ/kg)
22
b. Metode tidak langsung: atau metode kehilangan panas. Efisiensi
dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari
100 sebagai berikut:
Efisiensi = 100 – (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)
Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan
panas yang diakibatkan oleh:
i. Gas cerobong yang kering
ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar
iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar
iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran
v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu (terbang keluar
cerobong)
vi. Bahan bakar yan tidak terbakar dalam abu (badalam tungku)
vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
2.6.9 Uap (steam)
Uap air adalah jenis fluida yang merupakan fase gas dari air,
yang mengalami pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan
tertentu. Uap air tidak berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam
keadaan murni kering. Uap air dipakai pertama sekali sebagai fluida
kerja oleh James Watt yang terkenal sebagai penemu Mesin Uap
Torak.
Uap air tidak mengikuti hukum-hukum gas sempurna, sampai
dia benar-benar kering (kadar uap 100%). Bila uap air kering
23
dipanaskan lebih lanjut maka dia menjadi uap air panas (panas lanjut)
dan selanjutnya dianggap sebagai gas sempurna.
Uap air terbentuk dalam tiga jenis, yaitu :
1. Uap saturasi basah
2. Uap saturasi kering
3. Uap air panas
2.6.10 Proses Pembentukan Uap (Steam)
Bila diatas sekeping logam terdapat beberapa tetes air, dan
perhatikan molekul-molekul air tersebut, temperatur air pada saat itu
ialah T0 Kelvin atau T0 oCelcius. Molekul-molekul air tersebut
bergerak bebas dalam lingkungannya dengan kecepatan V meter/detik.
Molekul-molekul air tersebut dalam gerakannya, yaitu lingkungan air
karena adanya gaya tarik menarik antara molekul-molekul air itu
sendiri. Apabila dibawah kepingan logam tersebut dipasang api (api
dari batang lilin, korek api dsb) sedemikian sehingga api tersebut
memanasi kepingan logam yang diatasnya terdapat beberapa tetes air,
maka temperatur air tersebut akan menjadi T1 Kelvin dan ternyata
kecepatan gerak dari molekul-molekul air tersebut akan bertambah
menjadi V1 meter/detik namun belum mampu untuk melepaskan diri
dari lingkungannya. Bila api yang dipasang dibawah kepingan logam
tersebut ditambah besarnya, sehingga temperature air diatas kepingan
logam tersebut mencapai Td Kelvin, sedangkan kecepatan gerak
molekul air tersebut telah mencapai Vd meter/detik, sehingga molekul-
molekul air tersebut akan berubah menjadi uap yang kecepatan
24
geraknya melebihi kecepatan gerak molekul-molekul air semula.
Proses yang demikian disebut dengan “Proses Penguapan”. Molekul-
molekul air berubah menjadi molekul uap, atau bisa disebut bahwa air
tersebut sedang “mendidih” karena permukaan air sedang bergejolak.
Temperatur ini pada saat itu mencapai (temperatur mendidih) yaitu Td
Kelvin. Bila api masih saja ditambah besarnya, hal ini tidak akan
berpengaruh pada temperatur karena temperatur mendidih Td Kelvin
tidak akan berubah jika selama tekanan yang ada diatasnya
dipertahankan besarnya.
Adapun keuntungan penggunaan air sebagi fluida kerja yang
lain:
• Mudah diperoleh dengan harga yang murah
• Air dapat bersifat netral (pH = 7) sehingga sifat korosif yang
merusak logam dapat diatasi.
• Air tidak terbakar
• Mampu menerimakalordalam jumlah besar
• Dapat bekerja pada tekanan yang tinggi
Didalam boiler/ketel uap, uap yang terbentuk dari pemanasan ini
dirubah menjadi uap basah ataupun kering melalui beberapa tahap.
Dengan demikian uap yang terbentuk dapat digolongkan kedalam
berbagai bentuk jenis uap yaitu:
25
2.6.10.1 Uap Basah
Kondisi uap ini mengandung titik-titik air. Kwalitas uap ini
dapat dinyatakan dengan kwalitas uap tertentu (x), dimana
harga x berkisar antara 0<x<1. Dalam hal ini temperatur air
dan uap adalah sama seperti ditunjukkan pada gambar 2.1.
Kondisi uap berada padatitik 2 dan 3.
2.6.10.2 Uap Jenuh
Kondisi uap ini tidak mengandung titik-titik air lagi.
Kualitas uap pada kondisi ini x = 100%. Uap ini diperoleh
dengan penambahan kalor pada uap basah sama sehingga
mencapai titik 3.
2.7 Bagian-Bagian Ketel Uap (Boiler)
2.7.1 Badan Boiler
Jenis boiler yang dipilih adalah boiler pipa api (fire tube). Boiler
pipa api bekerja dengan pipa-pipa api yang berada dalam silinder
tabung. Pemanasan dihasilkan dari pembakaran didalam ruang bakar
dan menyalurkan panas melalui pipa api. Air yang berada disekitar
pipa api selanjutnya akan memanas dan menghasilkan uap air yang
disalurkan untuk memutar turbin. Badan boiler bekerja dengan
tekanan dari dalam (part under internal pressure), sehingga material
yang digunakan dalam perencanaan ini menyesuaikan kebutuhan
perencanaan. Adapun perhitungan dengan rumus:
26
t = PR
SE−0,6 P S = Maximum Allow = ksi = lb/in2
E = joint coeficient
P = tekanan = bar = lb/in2
R = Radius dalam badan ketel = mm = in
D = diameter dalam badan ketel = mm = in
(ASME-Section IV)
2.7.2 Pipa Api (Fire Tube)
Pipa api merupakan alat penguapan (evaporator) yang
mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial
uap, yaitu panas dari api memanaskan air dan menjadi uap air. Pipa
api bekerja dengan mendaparkan gaya tekan dari luar (parts under
external pressure), sehingga rumus yang digunakan dalam perhitungan
adalah sebagai berikut:
t = 𝑃.𝑅
𝑆𝐸−0,6 𝑃= ⋯ … 𝑚𝑚
(ASME-Section IV)
Data Material
S = tekanan kerja mak
E = Joint Coefi
Tekanan perancangan
2.7.3 Tubesheet
Pipa api pada boiler yang digunakan, dipasang dengan
pemasangan yang tetap. Tubesheet adalah tempat untuk menopang
pipa-pipa api pada boiler. Ketebalan yang dibutuhkan, maksimal jarak
antar pipa api, dan tekanan perancangan untuk tubesheet dengan pipa
27
api yyang digunakan dengan pemasangan tetap dapat dihitung dengan
rumus sebagai berikut:
t = √[P
CS] [p2 −
πD2
4]
p =
√[𝐶𝑆𝑡2
P] + [p2 −
πD2
4]
P = 𝐶𝑆𝑡2
𝑝−[𝜋𝐷2
4]
Dimana:
t = tebal plat yang dibutuhkan
p = maksimal jarak antar pipa api (inch)
C = 2,7 untuk pipa api ketebalan las kurang dari
11 mm (7/16 inch).
2,8 untuk pipa api ketebalan las lebih dari
11 mm (7/16 inch).
S = kekuatan tegangan maksimal material
(maximum allowable stress) (psi)
P = tekanan perancangan (design pressure) (psi)
D = diameter luas pipa (inch)
(ASME Sec IV 2013:28)
2.7.4 Ligament
Ligament adalah jarak lubang antar pipa pada tubesheet.
Ligament menggunakan pola jarak yang sama pada setiap baris.
Effisiensi ligament ditentukan dengan menggunakan persamaan :
𝐸 =𝑝 − 𝑑
𝑝
(ASME Sec IV
2013:28)
p = jarak antar lubang = in (mm)
d = diameter lubang pipa api = in (mm)
E = efisiensi ligament
28
(Gambar 2.6-Ligament)
2.8 Instrumen Penunjang Rancangan Ketel Uap
2.8.1 Manometer / Pressure Gauge
Manometer adalah alat yang berfungsi mengukur tekanan
uap dalam ruang ketel. Pemasangan manometer pada dinding
ketel uap ini menggunakan pipa angsa (symphon pipe) yang
berfungsi untuk menghindari kesalahan pengukuran, karena
temperatur tinggi yang langsung dihubungkan dengan
manometer.
(Gambar 2.7-Manometer/pressure gauge)
2.8.2 Thermometer
Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur
suhu (temperatur) uap yang beroperasi didalam ketel.
29
(Gambar 2.8-Thermometer)
2.8.3 Water Level Gauge
Water Level Gauge merupakan alat yang digunakan untuk
pengukur ketinggian air (water level gauge). Ketinggian air harus
dijaga agar tetap berada pada standart ketinggian air yang
ditetapkan. Untuk menjaga agar ketinggia air tetap berada pada
ketentuannya, maka dipasang water level gauge dengan berbahan
glass sehingga ketinggian air dapat dibaca dari tabung kacanya.
30
(Gambar 2.9-Water Level Gauge)
2.8.4 Safety Valve
Safety valve merupakan alat pengaman yang bekerja bila
terdapat tekanan lebih dari ketel uap atau tekanan pada ketel uap
melebihi batas tekanan yang diijinkan.
(Gambar 2.10-Safety Valve)
31
2.8.5 Blowdown Valve
Blowdown valve berfungsi membuang air yang ada
didalam ketel uap sewaktu-waktu jika ingin melakukan
pengurasan. Katup ini juga diganakan untuk memasukan air
pengisian.
(Gambar 2.11-Blowdown Valve)
2.8.6 Main Steam Valve
Katub ini berfungsi sebagai pembuka dan penutup jalur
utama steam (uap) yang akan digunakan untuk proses
merebus/produksi.
(Gambar 2.12-Main Steam Valve)