perancangan dan validasi vertical fire tube ...lib.unnes.ac.id/35522/1/5212414041_optimized.pdftebal...
TRANSCRIPT
PERANCANGAN DAN VALIDASI VERTICAL FIRE
TUBE BOILER UNTUK INDUSTRI TAHU
MENGGUNAKAN SOFTWARE SOLIDWORKS
Skripsi
diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin
Oleh
Prabowo Hari Waskitho
NIM. 5212414041
TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2019
ii
iii
iv
v
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
MOTTO :
Hidup ini seperti sepeda. Agar tetap seimbang, kau harus bergerak (Albert
Einstein)
Jangan suka membandingkan, tiap orang punya tantangan tersendiri.
Penyesalan tak akan merubah keadaan, hadapi apa yang telah menjadi
pilihan.
PERSEMBAHAN
Skripsi ini saya persembahkan kepada:
1. Keluarga dan saudara yang senantiasa
memberikan doa
2. Teman-teman TM 2014
3. Almamater yang ku kenakan
4. Semua yang belum tersebut satu per satu
vi
SARI ATAU RINGKASAN
Waskitho, Prabowo Hari. 2019. Perancangan dan Validasi Vertical Fire Tube
Boiler untuk Industri Tahu Menggunakan Software SOLIDWORKS. Skripsi.
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang.
Proses perebusan pada industri tahu kecil masih banyak dijumpai
menggunakan cara konvensional yang memiliki beberapa kekurangan diantaranya
dapat merusak kualitas tahu, asap hasil pembakaran bisa mengenai bubur tahu
hingga membuat rasa tahu menjadi sangit. Waktu yang dibutuhkan untuk
perebusan juga terbilang lama. Boiler bisa menjadi alternatif untuk mengatasi
kekurangan pemasakan dengan cara konvensional, akan tetapi banyak industri
tahu yang membuat boiler tanpa memperhatikan rancangan mekanik. Boiler
dibuat dari drum bekas tanpa spesifikasi teknis, sehingga dapat membahayakan
keselamatan pekerja.
Penelitian ini bertujuan untuk membuat rancangan boiler sesuai dengan
kebutuhan industri tahu yang memiliki tingkat keamanan baik. Diharapkan
dengan terciptanya rancangan boiler ini dapat menjamin keselamatan pekerja dan
mampu meningkatkan kualitas serta kuantitas produksi pada industri kecil tahu
terkait.
Rancangan boiler dibuat melalui beberapa tahapan : 1) Perhitungan
kebutuhan industri tahu, 2) Perhitungan perpindahan panas dan konstruksi boiler
berdasarkan standart ASME, 3) Penggunaan software SOLIDWORKS untuk
mendesain dan menganalisis keamanan dari boiler.
Penelitian yang dilakukan telah menghasilkan rancangan vertical fire tube
boiler dengan spesifikasi tekanan uap operasi 1,5 bar dan tekanan perancangan 6
bar. Dimensi dari boiler: 1) Badan boiler dengan diameter 1.220 mm, tinggi 1.476
mm dan tebal 5 mm, 2) Pipa api memiliki diameter luar 60, tinggi 1.500 mm,
tebal 2 mm dengan jumlah 12 pipa, 3) diameter furnace 1230 mm, tinggi 600 mm,
tebal 25 mm, 4) tebal tube sheet 12 mm, 5) Ketinggian head 307,5 mm, diameter
1.230, tebal 5 mm. Boiler dirancang menggunakan material stainless steel type
304 dan bahan bakar kayu. Hasil analisis statis menunjukkan bahwa boiler
memiliki angka keamanan 1,299. Berdasarkan perbandingan yang dihitung
manual, performa boiler lebih baik dibandingkan dengan cara konvensional
terbukti dengan waktu pemanasan yang lebih cepat 28,01 % dan bahan bakar
yang digunakan lebih hemat 42,2 %.
Kata kunci : tahu, boiler, ASME, SOLIDWORKS
vii
PRAKATA
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala limpahan berkat dan rahmat-
Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya tulis dalam bentuk
skripsidengan judul βPerancangan vertical fire tube boiler untuk industri tahu
menggunakan software SOLIDWORKSβ ini dengan baik.
Skripsi ini disusun sebagai salah satu persyaratan meraih gelar Sarjana
Teknik pada Program Studi Teknik Mesin S1 Universitas Negeri
Semarang.Perwujudan karya tulis ini tidak lain berkat bantuan dari berbagai
pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang
tiada terkira kepada:
1. Dr. Nur Qudus, M.T., Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri
Semarang
2. Rusiyanto, S.Pd., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri
Semarang.
3. Samsudin Anis, S.T., M.T., Ph.D., Ketua Program Studi Teknik Mesin S1
Universitas Negeri Semarang
4. Dony Hidayat Al-Janan ST,MT,Ph.D., selaku pembimbing yang bijaksana
memberikan bimbingan, nasihat serta waktunya selama penulisan skripsi
ini.
5. Danang Dwi Saputro S.T., M.T. dan Widi Widayat S.T., M.T., selaku
penguji yang selalu memberikan kritikan dan saran demi kemajuan penulis
6. Kedua orang tua dan keluarga yang senantiasa selalu memberikan doa agar
penulis diberikan kemudahan dan kelancaran.
viii
7. Teman-teman Program studi Teknik Mesin yang senantiasa memberikan
penulis semangat dan motivasi.
8. Semua pihak yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan
penyusunan skripsi.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki banyak
kekurangan yang disebabkan keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis.
Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran demi penyempurnaan
penulisan selanjutnya.
Semarang,
Penulis
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i
PERSETUJUAN PEMBIMBING ....................................................................... ii
PENGESAHAN ................................................................................................. iii
PERNYATAAN KEASLIAN ............................................................................ iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN ........................................................................ v
SARI ATAU RINGKASAN .............................................................................. vi
PRAKATA ....................................................................................................... vii
DAFTAR ISI ..................................................................................................... ix
DAFTAR LAMBANG ...................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xv
DAFTAR TABEL ........................................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ................................................................................ 1
1.2 Identifikasi Masalah ...................................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah ........................................................................................... 3
1.4 Rumusan Masalah ......................................................................................... 3
1.5 Tujuan............................................................................................................ 4
1.6 Manfaat .......................................................................................................... 4
BAB II KAJIAN PUSTAKAN DAN LANDASAN TEORI ................................. 5
2.1 Kajian Pustaka ............................................................................................... 5
2.2 Landasan Teori .............................................................................................. 7
2.2.1 Boiler ....................................................................................................... 7
2.2.2 Proses Produksi Tahu ............................................................................. 10
2.2.3 Proses Terbentuknya Uap ....................................................................... 11
2.2.4 Teori Perpindahan Panas ........................................................................ 13
2.2.5 Air Isian dan Bahan Bakar ...................................................................... 17
2.2.6 Material .................................................................................................. 18
2.2.7 Teori Elastisitas ...................................................................................... 20
2.2.8 Konstruksi Boiler .................................................................................. 21
x
2.2.9 Fabrikasi Boiler ...................................................................................... 25
2.2.10 Elemen Hingga ....................................................................................... 27
BAB III METODE PERANCANGAN .............................................................. 32
3.1 Model Perancangan ...................................................................................... 32
3.2 Prosedur Perancangan .................................................................................. 33
3.3 Validasi Perancangan ................................................................................... 37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 43
4.1 Hasil Perancangan ........................................................................................ 43
4.1.1 Perhitungan Kebutuhan Industri Tahu .................................................... 44
4.1.2 Perhitungan Perpindahan Panas dan Konstruksi Boiler ........................... 47
4.1.3 Perancangan Sambungan pada Boiler ..................................................... 60
4.1.4 Desain Rancangan .................................................................................. 62
4.1.5 Instrumen Boiler..................................................................................... 63
4.2 Hasil Validasi Perancangan .......................................................................... 66
4.2.1 Perbandingan Boiler dengan Tungku Konvensional ................................ 66
4.2.2 Analisis Statis Boiler .............................................................................. 68
4.2.3 Hasil Analisis Boiler ............................................................................. 74
4.3 Desain instalasi dan rancangan perawatan ................................................... 76
4.3.1 Desain Instalasi ...................................................................................... 76
4.3.2 Rancangan Perawatan ............................................................................. 77
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.............................................................. 78
5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 78
5.2 Saran ............................................................................................................ 79
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 81
LAMPIRAN ...................................................................................................... 83
xi
DAFTAR LAMBANG
A = Luas penampang (m2)
Apdba = Luas permukaan dinding boiler terkena air (m2)
Apdbu = Luas permukaan dinding boiler terkena uap (m2)
Appa = Luas permukaan pipa terkena air (m2)
Appu = Luas permukaan pipa terkena uap (m2)
B = Koefisien faktor dari tebal pipa (Pa)
C = 2,7 untuk pipa api pengelasan ketebalan kurang dari 11mm
Cpfluegas = Massa jenis gas pembakaran (kJ/kg. K)
cair = Kalor jenis air (J/kgoC)
cbk = Kalor jenis bubur kedelai (J/kgoC)
cuap = Kalor jenis uap (J/kgoC)
Didb = Diameter dalam boiler (m)
Dip = Diameter dalam pipa (m)
Dof = Diameter furnace (m)
Dodb = Diameter luar boiler (m)
Dop = Diameter luar pipa (m)
dc = Diameter dalam baut (mm)
E = Efisien sambungan pada silinder
Fi = Tegangan Von misses (MPa)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
h = Tinggi head
hi = Koefisien perpindahan panas bagian dalam (W/m2. oK)
hin boiler = Enthalpy masuk boiler (kJ/kg)
ho = Koefisien perpindahan panas bagian luar (W/m2. oK)
hout boiler = Enthalpy keluar boiler (kJ/kg)
K = Konduksi pipa (W/m2. oK)
kair = Konduktivitas thermal air (W/m. oK)
kfg = Konduktivitas thermal flue gas (W/m. oK)
kpipa = Konduktivitas thermal pipa (W/m. oK)
xii
L = Panjang awal (mm)
LHV = Low Heating Value (MJ/kg)
Luasp = Luas permukaan (m2)
Lf = Panjang furnace (mm)
Lp = Panjang pipa (mm)
Ls = Panjang pipa satuan (m)
ME = Modulus Elastisitas (N/m2)
Mbb = Massa bahan bakar (kg/jam)
mair = Massa air (kg)
mbk = Massa bubur kedelai (kg)
mk = Massa kedelai (kg)
muap = Massa uap (kg)
mum = Massa uap masak (kg)
αΉ = Laju aliran massa/kapasitas boiler (kg/jam)
αΉair = Massa alir air (kg/s)
αΉflue gas = Massa alir gas pembakaran (kg/s)
NuDip = Bilangan Nusselt di dalam pipa
NuDop = Bilangan Nusselt
nbaut = Jumlah baut
np = Jumlah pipa
P = Tekanan (N/m2)
P = Tekanan perancangan (Pa)
Pbaut = Gaya tahan yang dilakukan n baut (Pa)
Pf = Tekanan yang diijinkan furnace rancangan (Pa)
Pp = Tekanan yang diijinkan pipa rancangan (Pa)
p = Maksimal jarak antara pipa api (mm)
Q = Kalor yang dibutuhkan
Qair-uap = Kalor air menjadi uap (J)
Qboiler = Kalor yang dibutuhkan boiler (J/s)
Qflue gas = Kalor yang dibutuhkan gas pembakaran (J/s)
Ridb = Radius dalam dinding silinder (mm)
xiii
Rin = Radius dalam nosel (mm)
Rip = Jari-jari dalam pipa (m)
Rodb = Radius luar dinding silinder (mm)
Rop = Jari-jari luar pipa (m)
ReDip = Bilangan Reynold di dalam pipa
ReDop = Bilangan Reynold di luar pipa
S = Kekuatan tekan maksimal material (Pa)
SF = Faktor Keamanan
s = Ukuran las = Tebal plat (mm)
Ti = Tinggi (m)
Tidba = Tinggi dinding boiler terkena air (m)
Tidbu = Tinggi dinding boiler terkena uap (m)
Tipa = Tinggi pipa terkena air (m)
Tipu = Tinggi pipa terkena uap (m)
Thi = Temperature pembakaran (oC)
Tho = Temperature buang (oC)
Tci = Temperature air (oC)
Tco = Temperature uap (oC)
tdb = Tebal dinding boiler (mm)
tf = Tebal furnace (mm)
th = Tebal head (mm)
tmasak = Waktu pemasakan (jam)
tp = Tebal pipa api (mm)
tpenguapan = Waktu terbentuknya uap (jam)
tpn = Tebal pipa nosel (mm)
tt = Tebal plat yang dibutuhkan (mm)
U = Koefisien perpindahan panas total (W/m2. oK)
u = Kalor uap air (2.260.000 J/kgoC)
V = Volume (m3)
Vdba = Volume dinding boiler terkena air (m2)
Vdbu = Volume dinding boiler terkena uap (m2)
xiv
Vpa = Volume total pipa terkena air (m2)
Vpu = Volume total pipa terkena uap (m2)
W = Beban (N)
Ξh = Perubahan entalphy air uap (kJ/kg)
Ξt = Perubahan temperatur air uap (oC)
Ξtbk = Perubahan temperatur bubur kedelai (oC)
Ξtum = Perubahan temperatur uap masak (oC)
βTlm = Perbedaan temperature rata-rata (oC)
ΞΌair = Viskositas air (Kgm/s2.s/m2)
ΞΌfg = Viskositas flue gas (Kgm/s2.s/m2)
Ι³boiler = Efisiensi boiler (%)
Ο = Tegangan normal (N/m2)
Οlm = Tegangan luluh material (MPa)
Ξ΅ = Regangan normal
Ξ΄ = Perubahan panjang (mm)
[πΎ] = Matrik kekakuan
[π] = Matrik pergeseran
[πΉ] = Matrik beban
Ι = Panjang las (mm)
Ο = Densitas (kg/m3)
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Upright Steam Boiler ........................................................................ 7
Gambar 2.2 Boiler pipa api .................................................................................. 8
Gambar 2.3 Boiler pipa air ................................................................................... 9
Gambar 2.4 Bagan proses pembuatan tahu ......................................................... 10
Gambar 2.5 Grafik proses pemanasan air pada tekanan 1 atm ............................ 12
Gambar 2.5 Skema sambungan las butt joint ...................................................... 26
Gambar 2.5 Skema sambungan las lap joint ....................................................... 26
Gambar 3.1 Diagram alir tahapan penelitian....................................................... 33
Gambar 3.2 Model analisis pada solidworks ....................................................... 38
Gambar 3.3 Input material ................................................................................. 39
Gambar 3.4 Fixed geometry ............................................................................... 40
Gambar 3.5 Pembebanan ................................................................................... 40
Gambar 3.6 Meshing .......................................................................................... 41
Gambar 3.7 Perhitungan komputer ..................................................................... 41
Gambar 3.8 Hasil analisis................................................................................... 42
Gambar 4.1 Proses kerja alat .............................................................................. 43
Gambar 4.2 Tebal pipa ....................................................................................... 49
Gambar 4.3 Panjang pipa ................................................................................... 53
Gambar 4.4 Jumlah pipa .................................................................................... 54
Gambar 4.5 Tube sheet....................................................................................... 54
Gambar 4.6 Badan boiler ................................................................................... 56
Gambar 4.7 Head ............................................................................................... 58
Gambar 4.8 Tebal furnace .................................................................................. 58
Gambar 4.9 Vertical fire tube ............................................................................. 63
Gambar 4.10 Manometer ................................................................................... 64
Gambar 4.11 Thermometer ................................................................................ 64
Gambar 4.12 Water level.................................................................................... 65
Gambar 4.13 Katub ............................................................................................ 65
Gambar 4.14 Katub pengaman ........................................................................... 66
Gambar 4.15 Ilustrasi menentukan beban air dan beban uap ............................... 69
xvi
Gambar 4.16 Ilustrasi menentukan tekanan air dan tekanan uap ........................ 71
Gambar 4.17 Input Pembebanan ........................................................................ 74
Gambar 4.18 Tegangan ...................................................................................... 74
Gambar 4.19 Displacement ................................................................................ 75
Gambar 4.20 Instalasi Boiler .............................................................................. 76
Gambar 4.21 Rancangan Perawatan ................................................................... 77
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Bilangan Reynold ............................................................................... 15
Tabel 2.2 Data properties material ..................................................................... 19
Tabel 2.3 Minimal ketebalan las butt joint .......................................................... 26
Tabel 3.1 Spesifikasi awal rancangan boiler ....................................................... 32
Tabel 4.1 Spesifikasi material ............................................................................ 44
Tabel 4.2 Konstruksi boiler ................................................................................ 63
Tabel 4.3 Performa boiler dan pemasakan tahu cara konvensional...................... 67
Tabel 4.4 Perbandingan produksi tahu cara konvensional dengan boiler............. 67
Tabel 4.5 Pembebanan pada boiler ..................................................................... 73
Tabel 4.6 Hasil analisis ...................................................................................... 75
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Produk yang dihasilkan suatu industri tidak akan lepas dari tahapan proses
produksi. Proses produksi tahu pada industri kecil tahu memiliki beberapa tahapan
yaitu penggilingan, perebusan dan juga penyaringan. Proses perebusan pada
industri tahu kecil masih banyak di jumpai menggunakan cara konvensional yaitu
dengan wajan dan tungku langsung. Perebusan cara konvensional memiliki
beberapa kekurangan di antaranya dapat merusak kualitas tahu, asap hasil
pembakaran bisa mengenai bubur tahu hingga membuat rasa tahu menjadi sangit.
Waktu yang dibutuhkan untuk perebusan juga terbilang lama, bahkan kapasitas
produksi terbatas (Sudarman, et al., 2015: 71).
Boiler bisa menjadi alternatif untuk mengatasi permasalahan yang terjadi
di atas. Boiler merupakan salah satu alat pengkonversi energi. Prinsip kerja boiler
ialah untuk menghasilkan uap bertekanan dengan melakukan pemanasan pada air.
Uap panas yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk perebusan tahu. Penggunaan
boiler ini bisa diletakkan terpisah dengan bubur tahu yang akan direbus sehingga
tahu akan terbebas dari rasa sangit akibat asap dari pembakaran.
Industri tahu Lestari di daerah Kalisidi sudah menggunakan boiler dalam
proses perebusannya. Pemanfaatan boiler masih dirasa belum begitu efektif pada
industri tersebut. Banyak uap yang terbuang percuma tanpa bisa dimanfaatkan
terlebih dahulu, karena uap yang dibutuhkan untuk proses produksi lebih kecil
daripada uap yang dihasilkan alat. Ketidakseimbangan produksi uap juga akan
2
berdampak pada borosnya bahan bakar sehingga mengakibatkan efisiensi boiler
menjadi rendah. Rancangan yang tidak sesuai dengan keadaan industri diketahui
menjadi penyebab boiler yang dibuat tidak bekerja efektif dan bisa merugikan
alat. Kerugian alat terjadi salah satunya di industri milik Bapak Sutrisno daerah
Gunung Pati. Boiler mengalami kerusakan pada struktur material serta
banyaknya pipa yang pecah dan patah mengakibatkan boiler tidak dapat
digunakan lagi.
Fatoni (2013: K-5) menjelaskan bahwasannya ketiadaan rancangan desain
mekanik pada pembuatan boiler industri tahu di Wonosegoro dan Denpasar
menyebabkan terjadinya kecelakaan kerja. Pembuatan boiler hanya menggunakan
bahan drum oli bekas tanpa spesifikasi teknis dan mengabaikan faktor keamanan.
Menurut Hakim dan Subekti (2015: 2) dalam pembuatan boiler yang tak
memperhatikan kekuatan material dan tak terpenuhinya syarat standart aman ketel
uap, dapat mengakibatkan panas dan tekanan uap yang dihasilkan tidak bisa
dikontrol. Jika panas dan tekanan uap yang dihasilkan melebihi kebutuhan dari
kerja maka boiler bisa meledak dan membahayakan keselamatan pekerja.
Perancangan dilakukan untuk mendapatkan boiler yang aman untuk
digunakan dan sesuai dengan kebutuhan kerja pada industri. Acuan perancangan
boiler ini menggunakan standart ASME, sedangkan untuk membantu proses
penyelesaian desain, simulasi dan analisis menggunakan bantuan software
SOLIDWORKS. Perancangan boiler yang sesuai dapat membantu meningkatkan
kualitas dan produksi tahu pada industri.
3
1.2 Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah dapat diidentifikasi permasalahan yang
terjadi ialah :
1. Boiler bisa menjadi alternatif untuk menyelesaikan masalah perebusan bubur
tahu cara konvensional pada kualitas tahu, waktu produksi dan juga biaya
produksi.
2. Ketidaktepatan rancangan boiler terhadap industri tahu terkait, berakibat pada
rendahnya efisiensi performa boiler bahkan dapat menimbulkan kerusakan.
3. Pengabaian perancangan pembuatan boiler beresiko terhadap keselamatan
pekerja maupun menimbulkan ledakan.
1.3 Batasan Masalah.
Karena luasnya permasalahan pada perancangan, maka dibatasi pada :
1. Rancangan bukan dalam bentuk alat jadi, melainkan berupa desain 3D.
2. Data spesifikasi diperoleh dari studi literatur dan studi kasus.
3. Perencanaan hitung dilakukan secara manual.
4. Desain rancangan menggunakan bantuan software SOLIDWORKS.
5. Analisis yang dilakukan berupa analisis statis.
6. Material yang digunakan berdasarkan acuan standart ASME.
7. Tidak menghitung biaya produksi.
1.4 Rumusan Masalah
Berdasarkan identifikasi masalah yang dilakukan, didapatkan rumusan masalah
sebagai berikut :
4
1. Bagaimana mendapatkan dimensi dari boiler yang sesuai untuk industri tahu
terkait?
2. Bagaimana membuat rancangan boiler yang aman digunakan di industri tahu?
3. Bagaimana mendesain instalasi boiler pada industri tahu terkait?
4. Bagaimana hasil rancangan boiler terhadap kualitas proses produksi tahu
dibandingkan dengan cara konvensional (tungku langsung)?
1.5 Tujuan
Tujuan dari penelitian ini ialah untuk :
1. Mendapatkan konstruksi rancangan boiler untuk industri terkait.
2. Mendapatkan rancangan boiler yang aman digunakan untuk industri tahu.
3. Menghasilkan rancangan instalasi yang sesuai industri terkait.
4. Mampu menghasilkan rancangan boiler yang lebih baik dalam proses produksi
dibandingkan dengan cara konvensional.
1.6 Manfaat
1. Mengetahui tentang perancangan boiler yang sesuai standart boiler untuk
pemanasan.
2. Rancangan boiler dapat digunakan untuk referensi para pengusaha industri
tahu sebagai acuan dasar pembuatan boiler.
3. Mampu memberikan informasi mengenai manfaat boiler untuk khalayak umum
atau masyarakat yang masih awam atau tidak mengetahui fungsi dan kegunaan
boiler.
5
BAB II
KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 Kajian Pustaka
Sharma dan Tiwari (2017) melakukan perancangan fire tube boiler.
Metode yang digunakan ialah mengambil data yang dibutuhkan untuk rancangan
awal desain (temperatur air dan uap), mempertimbangkan material untuk desain,
mendesain spesifikasi untuk industri, membuat ukuran dari boiler, persiapan
menggambar, perhitungan mekanik, perhitungan perpindahan panas, perhitungan
efisiensi dan evaporasi dan estimasi bahan bakar yang digunakan. Hasil yang
didapatkan ialah boiler memiliki kapasitas aliran uap 300 kg/jam. Dinding silinder
diameter 0,98 m, panjang 1,25 m dan jumlah pipa 30 dengan diameter 0,51 m
serta konsumsi bahan bakar 35 kg/jam.
Sudarman, et al. (2015) membuat boiler untuk menggantikan metode
pemasakan tahu dengan cara konvensioal yang memiliki banyak kelemahan.
Pembuatan boiler mempunyai tujuan untuk mengetahui perbedaan kualitas
produksi tahu pada industri tahu menggunakan pemasakan konvesional dan juga
dengan boiler. Dampak dari penerapan boiler ini menjadikan tahu lebih
berkualitas dan higienis, waktu produksi lebih singkat dengan biaya produksi
lebih rendah, sehingga dengan produksi yang sama saat menggunakan tungku
konvensional akan didapat keuntungan yang lebih besar jika menggunakan boiler.
Menurut Hakim dan Subekti (2015) banyak industri tahu yang membuat
boiler tanpa adanya acuan standart SNI sehingga banyak menimbulkan
6
kecelakaan kerja. Upaya untuk mengurangi kecelakaan pada alat dengan cara
membuat rancangan boiler sesuai standar SNI dan juga mengacu pada ASME.
Spesifikasi boiler yang ditentukan bertipe horizontal fire tube dengan tekanan
rancangan 6 bar, diameter badan ketel 1.000 mm dan tebal 6 mm dengan material
SA 285Grade C. Pipa api memiliki panjang 1.200 mm, diameter 125 mm dan
ketebalan 2,5 mm dengan material SA 53 Grade B.
Effendy, et al. (2013) melakukan perancangan boiler serta memastikan
keamanan rancangan dengan bantuan software catia. Perhitungan perancangan
didasarkan sesuai data yang diambil dari industri tahu Serasi yang berada di
Bandungan Kab. Semarang. Proses analisis menggunakan bantuan software catia
dengan obyek penelitian berupa desain gambar yang telah dibuat berdasarkan
perhitungan yang dilakukan. Melalui tahap analisis desain rancangan diketahui
desain aman digunakan pada industri tahu terkait karena memiliki safety factor
1.42 yang diperoleh dari nilai tekan ijin material 415 MPa dibagi dengan nilai
tegangan sebesar 292 MPa.
Kondayya (2016) mengungkapkan bagian terpenting dalam merancang
boiler ialah desain dan analisis. Ia telah melakukan analisis struktural dan panas
pada boiler menggunakan teknik elemen hingga dengan bantuan software
ANSYS. Hasil dari analisis didapatkan defleksi maksimum menginduksi 1,089
mm, tegangan maksimum sebesar 377,02 MPa dengan kekuatan yang diijinkan
material senilai 524 MPa sehingga diperoleh faktor keamanan 1,389. Nilai faktor
keamanan lebih besar dari 1, maka desain sudah bisa dikatakan aman.
7
2.2 Landasan Teori
2.2.1 Boiler
Boiler adalah bejana tertutup yang dibuat dan dirancang untuk
memanaskan air hingga menghasilkan uap. Proses kerja boiler terdiri dari dua
tahapan yaitu tahap pembakaran bahan bakar yang terjadi di furnace dan
pemanasan air. Air dipanaskan dari proses pembakaran bahan bakar sampai
mendidih hingga berubah fasa menjadi uap yang bertekanan. Uap yang dihasilkan
dapat dimanfaatkan untuk pemanas pada industri. (Winanti & Prayudi, 2006: 58)
(http://in.ari-armaturen.com/in/steam-paathshaala/boilogy.html)
Melalui gambar 2.1 dapat diketahui bahwa boiler memiliki beberapa
komponen dalam konstruksinya. Berikut bagian-bagian boiler tersebut :
A. Furnace.
Komponen ini merupakan tempat pembakaran bahan bakar.
B. Alat penguap
Komponen yang memiliki tugas untuk menghasilkan uap dari air yang
dipanasi dengan gas panas hasil pembakaran.
C
B
A
Gambar 2.1 Upright Steam Boiler
8
C. Cerobong asap
Komponen untuk jalan pembuangan sisa gas panas.
Boiler terdiri dari beberapa tipe dengan manfaat dan kegunaan masing-masing
berdasarkan klasifikasinya. Klasifikasi boiler diantaranya:
A. Konstruksi
1. Fire tube boiler.
Boiler pipa api yaitu pada bagian dalam pipa dialiri dengan gas panas dari
hasil pembakaran yang akan memanaskan air di sekeliling luar pipa seperti
terlihat pada gambar 2.2. Panas berpindah ke air melalui media logam.
Perpindahan panas yang terjadi akan menghasilkan uap. Fire tube biasa
digunakan untuk industri karena tekanan yang dihasilkan terbilang rendah.
Gambar 2.2 Boiler pipa api
(https://bestekin.com/2018/01/14/pengendalian-korosi-boiler-yang-tepat/)
2. Water tube boiler.
Boiler pipa air yaitu suatu bejana dengan aliran air terdapat dalam pipa yang
dikelilingi panas yang ada diantara sela-sela pipa seperti terlihat pada 2.3. Panas
di luar pipa akan berpindah ke dalam pipa untuk mendidihkan air untuk
menghasilkan uap.
9
Gambar 2.3 Boiler pipa air
(https://bestekin.com/2018/01/14/pengendalian-korosi-boiler-yang-tepat/)
B. Penggunaan
1. Power Boiler.
Uap yang dihasilkan digunakan sebagai pembangkit listrik. Uap dihasilkan
dengan tipe water tube boiler, memiliki tekanan dan kapasitas besar sehingga
mampu memutar turbin uap dan menghasilkan listrik dari generator.
2. Industrial Boiler.
Uap yang dihasilkan memiliki kegunaan utama untuk proses industri dan
sebagai pemanas. Tipe fire tube maupun water tube bisa digunakan untuk
memproduksi uap, uap yang dihasilkan berkapasitas sedang hingga besar dengan
tekanan rendah sampai sedang.
C. Tekanan
1. Low-middle PressureBoiler.
Boiler ini memiliki tekanan kurang dari 10 MPa, penggunaan boiler ini
dimanfaatkan untuk industri.
2. High Pressure Boiler.
Boiler ini memiliki tekanan lebih dari 10 MPa, digunakan untuk pembangkit
listrik.
10
2.2.2 Proses produksi tahu
Tahu merupakan makanan yang dibuat dari bahan baku kedelai.
Masyarakat sangat menyukai tahu karena kandungan protein yang terdapat dalam
tahu cukup tinggi. Proses pembuatannya terdiri beberapa tahapan yang dapat
dilihat pada gambar 2.4 (Rahmawati, 2013: 2).
Gambar 2.4 Bagan proses pembuatan tahu.
Proses pembuatan tahu dimulai dengan merendam kedelai kemudian
dilakukan pencucian untuk menghilangkan sisa kotoran yang menempel pada
kedelai agar tidak menganggu proses penggilingan yang dilakukan dengan mesin
penggiling. Penggilingan dimaksudkan untuk memperoleh bubur kedelai yang
kemudian akan dimasak hingga mendidih. Hasil perebusan disaring dengan tujuan
Perendaman Kedelai
Pencucian Kedelai
Penggilingan
Perebusan
Penyaringan
Pengendapan dan Penambahan cuka
Pencetakan dan Pengepresan
Pengemasan
11
untuk memisahkan antara ampas dan filtrat yang mau dibuat tahu. Penambahan
cuka ditambahkan pada filtrat. Mengambil filtrat untuk dilakukan pencetakan dan
pengepresan. Membuka hasil cetakan kemudian dilakukan pengemasan.
Posisi alat yang mau dirancang dimanfaatkan untuk pemanasan pada bubur
kedelai yang terletak pada tahap perebusan. Hal ini dilakukan agar dalam
perebusan dapat menghasilkan kualitas tahu yang lebih baik dibanding dengan
pembakaran secara langsung menggunakan tungku yang dapat mengakibatkan
kualitas dari tahu sangit dan tidak higienis serta waktu produksi cukup lama.
2.2.3 Proses Terbentuknya Uap
Uap merupakan fase gas yang berasal dari air yang mengalami pemanasan
pada temperatur didih. Pada ketel uap proses penguapan air menggunakan kalor
yang berasal dari pembakaran bahan bakar. Molekul air memiliki sifat kohesi
sehingga air dalam boiler akan saling tarik menarik dengan kecepatan awal (Vo)
meter/detik dan belum mampu meninggalkan lingkungannya jika masih dengan
temperatur air (To). Apabila terjadi pembakaran bahan bakar pada dapur maka
temperatur air naik (Tx) karena energi panas dari dapur akan tersalurkan ke air
melalui perantara plat dinding ketel. Kenaikan panas pada air juga akan
menyebabkan perubahan kecepatan gerak molekul air mencapai (Vx), sehingga
molekul itu akan mampu melepaskan diri dari lingkungan dan akan berubah fase
menjadi uap. Sama halnya ketika memanaskan air, saat mendidih akan terlihat
gelembung-gelembung. Gelembung tersebut merupakan uap air yang naik ke
permukaan karena perbedaan massa jenis.
12
Gambar 2.5 Grafik proses pemanasan air pada tekanan 1 atm
(Cengel & Boles, 2006: 115)
Gambar 2.5 di atas menunjukan hubungan antara temperatur dan
kecepatan air ketika dipanaskan dan mengalami tekanan sebesar 1 atm. Titik didih
air bukan merupakan nilai tetap, melainkan bergantung pada tekanan. Jika tekanan
tersebut dinaikkan maka grafik tersebut akan tergeser ke atas. Hal ini disebabkan
suhu dan tekanan yang saling mengikat pada proses perubahan fasa. Semakin
tinggi tekanan maka suhu didih juga akan menjadi naik. Berikut parameter atau
persamaan yang digunakan untuk mendapatkan besaran uap :
1. Kebutuhan uap
ππ ππππ = ππππππ
πππ Γ πππ Γ βπ‘ππ = ππ’π Γ ππ’ππ Γ βπ‘π’π .....................................2.1
Q = Kalor (J)
mbk = Massa bubur kedelai (kg)
cbk = Kalor jenis bubur kedelai (J/kgoC)
Ξtbk = Perubahan temperatur bubur kedelai (oC)
mum = Massa uap masak (kg)
cuap = Kalor jenis uap (J/kgoC)
Ξtum = Perubahan temperatur uap masak (oC)
2. Kapasitas boiler
αΉ =ππ’π
π‘πππ ππ.................................................................................2.2
13
αΉ = Laju aliran massa/kapasitas boiler (kg/jam)
mum = Massa uap masak (kg)
tmasak = Waktu pemasakan (jam)
3. Massa air boiler
αΉ Γ π₯β Γ π‘πππππ’ππππ = ππππ Γ ππππ Γ βπ‘ .......................2.3
Ξh = Perubahan entalphy air uap (kJ/kg)
mair = Massa air (kg)
cair = Kalor jenis air (J/kgoC)
Ξt = Perubahan temperatur air uap (oC)
tpenguapan = Waktu terbentuknya uap (jam)
4. Massa uap yang dihasilkan fire tube
ππππβπ’ππ = ππππ Γ ππππ Γ βπ‘ .....................................................2.4
ππ’ππ =ππππβπ’ππ
π’ ........................................................................2.5
Qair-uap = Kalor air menjadi uap (J)
u = Kalor uap air (2.260.000 J/kgoC)
mair = Massa air (kg)
muap = Massa uap (kg)
cair = Kalor jenis air (J/kgoC)
2.2.4 Teori Perpindahan Panas
Teori perpindahan panas ialah suatu ilmu yang mempelajari tentang
perpindahan energi (panas) yang terjadi akibat perbedaan suhu di antara kedua
benda. Perpindahan panas pada ketel uap ialah panas dari pembakaran akan
dipindahkan ke fluida air agar menjadi uap yang bertekanan. Ada tiga cara
perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi (Nugroho, 2015: 38).
A. Perpindahan panas secara konduksi
Perpindahan panas konduksi merupakan perpindahan energi yang terjadi
karena adanya kontak fisik tanpa terjadi perpindahan molekul. Perpindahan panas
secara rambatan terjadi pada dinding ketel. Panas dari pembakaran pada dapur
akan merambat pada dinding ketel yang kemudian tersalurkan pada air (Nugroho,
2015: 39).
14
erpindahan panas secara konveksi.
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas melalui
molekul fluida yang zat perantaranya ikut berpindah. Perpindahan energi yang
terjadi dihasilkan dari molekul fluida yang bergerak dengan membawa energi
panas. Pada saat fluida menyentuh dinding atau pipa ketel maka panasnya akan
dibagikan ke dinding dan pipa ketel uap (Nugroho, 2015: 39).
Pehitungan perpindahan panas konveksi erat kaitannya dengan bilangan tak
berdimensi. Bilangan tak berdimensi yang dibutuhkan antara lain :
1. Bilangan Reynold
Bilangan Reynold merupakan perbandingan gaya alir terhadap gaya
kekentalan yang dihubungkan dengan suatu kondisi aliran. Bilangan Reynold
berfungsi untuk mengetahui jenis aliran fluida. Terdapat dua aliran dalam
perpindahan panas yaitu laminar dan turbulen. Aliran fluida dikatakan laminar
jika bilangan Reynold kurang dari 2.200, dan turbulen jika lebih dari 2.200 ialah
aliran turbulen.
2. Bilang Prandtl
Bilangan Prandtl adalah perbandingan hubungan antara penyaluran suhu
dan kecepatan. Bilangan Prandtl digunakan untuk mengetahui nilai bilangan
Nusselt.
3. Bilangan Nusselt
Bilangan Nusselt merupakan perbandingan perpindahan panas konveksi dan
konduksi pada suatu permukaan. Terdapat nilai yang harus dicari dalam
persamaan yang digunakan untuk menentukan bilangan Nusselt yaitu nilai dengan
15
variabel c dan m. Untuk mencari nilai tersebut dapat ditemukan dengan melihat
nilai besaran bilangan Reynold pada tabel 2.1 (soedjono et.al, 2015: 71).
Tabel 2.1 bilangan Reynold
ReD c m
0,4 β 4 0,989 0,330
4 β 40 0,911 0,385
40 β 4000 0,683 0,466
4000 β 40000 0,193 0,618
40000 - 400000 0,027 0,805
B. Perpindahan panas secara radiasi.
Perpindahan energi dari suatu benda dengan cara melalui gelombang
elektromagnetik tanpa harus ada media maupun zat perantara untuk
menghantarkan pancaran panas tersebut.
Menurut (Soedjono, et al., 2015: 70-74) parameter-parameter perhitungan
perpindahan panas yang terjadi pada boiler antara lain :
1. Kalor yang dibutuhkan.
Qππππππ = αΉ(hππ’π‘ ππππππ β hππ ππππππ) .......................................................2.6
Qboiler = Kalor yang dibutuhkan boiler (J/s)
αΉ = Massa alir uap (kg/s)
hout boiler = Enthalpy keluar boiler (kJ/kg)
hin boiler = Enthalpy masuk boiler (kJ/kg)
2. Mencari aliran gas pembakaran(αΉflue gas)
Qππππππ = Qπππ’π πππ
αΉπππ’π πππ = Qπππ’π πππ
Cπ βT................................................................................2.7
αΉflue gas = Massa alir gas pembakaran (kg/s)
Qflue gas = Kalor yang dibutuhkan gas pembakaran (J/s)
Cpfluegas = Massa jenis gas pembakaran (kJ/kg. K)
βT = Beda tempeature uap dengan air (K)
3. Aliran gas di dalam pipa (perpindahan panas konveksi didalam pipa).
Reπ·ππ =4 Γ αΉπππ’π πππ
π Γπ·ππΓ ππππ’ππππ .......................................................................2.8
16
ππ’π·ππ = 0.027π ππ·ππ
45β
ππ0,4........................................................................2.9
βπ = ππ’π·ππππππ’ππππ
π·ππ.......................................................................2.10
ReDip = Bilangan Reynold di dalam pipa
αΉflue gas= Massa alir gas (kg/s)
Dip = Diameter dalam pipa (m)
ΞΌfg = Viskositas flue gas (Kgm/s2.s/m2)
NuDip = Bilangan Nusselt di dalam pipa
kfg = Konduktivitas thermal flue gas (W/m. oK)
hi = Koefisien perpindahan panas bagian dalam (W/m2. oK)
4. Aliran air diluar pipa (perpindahan panas konveksi diluar pipa).
Reπ·ππ =4 Γ αΉπππ
π Γ π·ππ Γ ππππ..............................................................................2.11
ππ’π·ππ = πΆπ ππ·πππ ππ
13β ......................................................................2.12
βπ = ππ’π·ππππππ
π·ππ....................................................................................2.13
ReDop = Bilangan Reynold di luar pipa
αΉair = Massa alir air (kg/s)
Dop = Diameter luar pipa (m)
ΞΌair = Viskositas air (Kgm/s2.s/m2)
NuDop = Bilangan Nusselt
kair = Konduktivitas thermal air (W/m. oK)
ho = Koefisien perpindahan panas bagian luar (W/m2. oK)
5. Konduksi yang terjadi pada pipa.
K =π ππ
πππππln
π ππ
π ππ.....................................................................................2.14
K = Konduksi pipa (W/m2. oK)
Rip = Jari-jari dalam pipa (m)
Rop = Jari-jari luar pipa (m)
kpipa = Konduktivitas thermal pipa (W/m. oK)
6. Koefisien perpindahan panas menyeluruh.
π =1
1
βπ+πΎ+
π ππ
π ππ
1
βπ
.............................................................................2.15
U = Koefisien perpindahan panas total (W/m2. oK)
K = Konduksi pipa (W/m2. oK)
hi = Koefisien perpindahan panas bagian dalam (W/m2. oK)
h0 = Koefisien perpindahan panas bagian luar (W/m2. oK)
Rip = Jari-jari dalam pipa (m)
Rop = Jari-jari luar pipa (m)
17
7. Perbedaan panas rata-rata.
βTππ =(TβπβTππ)β(TβπβTππ)
ln [(TβπβTππ)
(TβπβTππ)]
.....................................................................2.16
βTlm = Perbedaan temperature rata-rata (oC)
Thi = Temperature pembakaran (oC)
Tho = Temperature buang (oC)
Tci = Temperature air (oC)
Tco = Temperature uap (oC)
2.2.5 Air isian dan Bahan Bakar.
A. Air isian
Air isian penting dalam proses produksi uap karena bisa mempengaruhi
masa pakai ketahanan boiler. Menurut Mulianti (2008: 108) PH air yang
digunakan sebagai air isian ketel harus berkisar antara 7-9 agar komponen pada
boiler tidak mudah berkarat. Jika syarat tidak terpenuhi maka akan mudah
terbentuk kerak, korosi yang dapat mengakibatkan kerusakan pada boiler.
B. Bahan bakar
Bahan bakar ialah suatu bahan yang dapat diubah menjadi energi. Bahan
bakar sangat berpengaruh terhadap kecepatan perpindahan panas. Dalam Proses
perpindahan panas tentu membutuhkan energi panas yang diperoleh dari proses
pembakaran. Berdasarkan wujudnya terdapat tiga macam bahan bakar yaitu :
1. Bahan bakar padat
Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, dan
kebanyakan menjadi sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi
panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk
menggerakkan peralatan dan menyediakan energi.
18
2. Bahan bakar cair
Bahan bakar cair adalah bahan bakar yang strukturnya tidak rapat, jika
dibandingkan dengan bahan bakar padat molekulnya dapat bergerak bebas.
Bensin/gasolin/premium, minyak solar, minyak tanah adalah contoh bahan bakar
cair. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebor pada ladang-
ladang minyak, dan memompanya sampai ke atas permukaan bumi, untuk
selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.
3. Bahan bakar gas
Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni Compressed Natural Gas (CNG) dan
Liquid Petroleum Gas (LPG). CNG pada dasarnya terdiri dari metana sedangkan
LPG adalah campuran dari propana, butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang
digunakan untuk kompor rumah tangga, sama bahannya dengan Bahan Bakar Gas
yang biasa digunakan untuk sebagian kendaraan bermotor.
Banyaknya bahan bakar yang dibutuhkan dapat dihitung dengan rumus :
1. Konsumsi bahan bakar
πππ = πππππππ
πΏπ»π Γ Ι³ππππππ.....................................................................................2.18
Mbb = Massa bahan bakar (kg/jam)
Qboiler = Kalor yang dibutuhkan boiler (J/s)
LHV = Low Heating Value (MJ/kg)
Ι³boiler = Efisiensi boiler (%)
2.2.6 Material.
Pemilihan material menjadi salah satu hal yang penting untuk sebuah
rancangan. Pemilihan material yang tepat guna juga akan berimbas pada kualitas
alat yang baik pula. Material yang digunakan untuk membuat alat pada proses
produksi makanan atau minum harus memperhatikan standar food grade
19
manufacturing yaitu tidak boleh menggunakan bahan yang mengandung zat-zat
berbahaya yang dapat terurai bersama makanan dan harus memiliki ketahanan
terhadap karat, tidak berpori serta tidak menyerap air. Bahan baja tahan karat
dipertimbangkan sebagai pilihan untuk membuat boiler dikarenakan memiliki
spesifikasi yang sesuai (Hariyadi, 2014: 23). Material yang digunakan untuk
pembuatan rancangan boiler harus diketahui nilai besaran sifat materialnya.
Berikut spesifikasi-spesifikasi yang harus ada atau dicari dalam material disajikan
dalam tabel 2.2.
Tabel 2.2 Data spesifikasi material
Sifat material Nilai satuan
Maximum Allowable
Stress Value
- (N/m2)
Poisson ratio - -
Density - (kg/m3)
Thermal expantion - (oK)
Yield strength - (N/m2)
Tensile Strength - (N/m2)
Keamanan desain bisa didasarkan pada kekuatan dari material. Keamanan
konstruksi desain di evaluasi menggunakan faktor keamanan. Menurut (Arif,
2014: 12) faktor keamanan dapat dituliskan dengan rumus :
SF =πππ
πΉπ.........................................................................................2.19
SF = Faktor Keamanan
Οlm = Tegangan luluh material (MPa)
Fi = Tegangan Von misses (MPa)
Faktor keamanan pada dasarnya digunakan untuk memastikan perancangan
teknik tidak mengalami kegagalan. Semakin kecil faktor keamanan, maka akan
memungkinkan tingginya peluang terjadinya kegagalan. Sebaliknya jika faktor
20
keamanan sangat besar, maka material yang digunakan akan sangat boros yang
berimbas pada biaya produksi yang lebih tinggi.
2.2.7 Teori Elastisitas.
Elastisitas adalah sifat suatu benda untuk kembali ke bentuk awal setelah
mendapatkan gaya dan mengalami perubahan bentuk. Sebuah benda yang kembali
sepenuhnya kepada bentuk semula dinamakan elastis sempurna, apabila tidak
sepenuhnya kembali kepada bentuk semula di namakan elastis sebagian (Souisa,
2011: 9).
Modulus elastisitas suatu bahan didapat dari hasil bagi antara tegangan dan
regangan. Besaran-Besaran yang berhubungan dengan sifat elastisitas benda
antara lain sebagai berikut :
A. Tegangan
Tegangan dapat didefinisikan sebagai besaran gaya yang bekerja pada
satuan luas benda (Arif, 2014: 2). Rumus tegangan dapat dituliskan :
π = π
π΄...............................................................................................2.20
Ο = Tegangan normal (N/m2)
P = Besar gaya yang bekerja (N)
A = Luas penampang (m2)
Tegangan yang harus ditentukan pada bahan sebelum proses perancangan
adalah :
1. Tegangan batas didefinisikan sebagai tegangan satuan terbesar suatu bahan
yang dapat ditahan tanpa menimbulkan kerusakan.
2. Tegangan ijin yaitu kekuatan batas yang aman digunakan pada perancangan.
Secara umum tegangan dapat dibagi menjadi 2 jenis, yaitu :
21
1. Tegangan normal adalah tegangan yang bekerja normal (tegak lurus) terhadap
permukaan yang mengalami tegangan. Tegangan ini bisa berupa tegangan
tarik maupun tekan.
2. Tegangan geser adalah tegangan yang bekerja sejajar terhadap permukaan
yang mengalami tegangan.
B. Regangan
Regangan merupakan deformasi per satuan panjang. Rumus regangan dapat
ditulis :
Ξ΅ = Ξ΄
L................................................................................................2.21
Ξ΅ = Regangan normal
Ξ΄ = Perubahan panjang (mm)
L = Panjang awal (mm)
C. Hukum Hookeβs
Hukum Hookeβs adalah tegangan sebanding dengan regangan. Rumus
matematis dapat ditulis :
ππΈ =π
π................................................................................................2.22
Dimana : ME = Modulus Elastisitas (N/m2)
Ο = Tegangan (N/m2)
Ξ΅ = Regangan
2.2.8 Konstruksi Boiler.
Konstruksi boiler dapat dihitung dengan memperhatikan tentang spesifikasi
material yang akan kita gunakan, tekanan yang bekerja serta efisiensi sambungan
pada boiler. Konstruksi boiler terdiri dari dua bagian yaitu ketebalan dan dimensi
boiler. Ketebalan struktur boiler yang akan dihitung yaitu tebal badan boiler, pipa
api, tubesheet (ASME, 2004).
22
1. Badan Boiler
π‘ππ =πΓπ ππ
πΓπΈβ0,6π ................................................................2.23
P = Tekanan perancangan (Pa)
S = Kekuatan tekan maksimal material (Pa)
tdb = Tebal dinding boiler (mm)
Ridb = Radius dalam dinding silinder (mm)
E = Efisiensi sambungan pada silinder
2. Pipa Api
π·ππ
π‘π....................................................................2.24
Menentukan πΏπ
π·ππ dan melakukan trial error dari asumsi
π·0π
π‘π sehingga nilai Pp
dari persamaan ππ =π΅
π·ππ‘β lebih dari dan mendekati nilai tekanan perancangan.
P = Tekanan perancangan (Pa)
tp = Tebal pipa api (mm)
Lp = Panjang pipa (mm)
Dop = Diameter luar pipa (mm)
B = Koefisien faktor dari tebal pipa (Pa)
Pp = Tekanan yang diijinkan pipa rancangan (Pa)
3. Tubesheet
π‘π‘ = β(π
πΆπ) Γ (π2 β
ππ·ππ2
4)...........................................................2.25
tt = Tebal plat yang dibutuhkan (mm)
p = Maksimal jarak antara pipa api (mm)
C = 2,7 untuk pipa api pengelasan ketebalan kurang dari 11mm
C = 2,8 untuk pipa api pengelasan ketebalan lebih dari 11mm
P = Tekanan perancangan (Pa)
S = Kekuatan tekan maksimal material (Pa)
Dop = Diameter luar pipa (mm)
4. Pipa nosel
Tebal pipa nosel yang akan digunakan untuk main valve, blowdown, safety
valve, manometer, dan thermometer tidak boleh kurang dari 1,5 mm (Halley dan
Nordstrom, 2008: 5).
π‘ππ =πΓπ ππ
ππΈβ0,6π+ 1 .........................................................................2.27
23
P = Tekanan perancangan (Pa)
S = Kekuatan tekan maksimal material (Pa)
tpn = Tebal pipa nosel (mm)
Rin = Radius dalam nosel (mm)
5. Head
π‘β =πΓππππ
2ππΈβ0,2π......................................................................................2.28
th = tebal head (mm)
P = Tekanan perancangan (Pa)
S = Kekuatan tekan maksimal material (Pa)
E = Efisiensi sambungan
dodb = Diameter luar dinding boiler (mm)
6. Furnace π·ππ
π‘π...............................................................2.29
menentukan πΏπ
π·ππ dan melakukan trial error dari asumsi
π·ππ
π‘π sehingga nilai Pf
dari persamaan ππ =π΅
π·ππ‘β lebih dari dan mendekati nilai tekanan perancangan.
P = Tekanan perancangan (Pa)
tf = Tebal furnace (mm)
Lf = Panjang furnace (mm)
Dof = Diameter luar furnace (mm)
B = Koefisien faktor dari tebal furnace (Pa)
Pf = Tekanan yang diijinkan furnace rancangan (Pa)
Berdasar Soedjono (2015), dimensi boiler dapat diperoleh dengan mencari:
1. Dimensi panjang pipa.
Lp =πππππππ
π.π.π·ππβTππ.............................................................2.30
Lp = Panjang pipa (m)
βTlm = Perbedaan temperature rata-rata (oK)
Qboiler = Kalor yang dibutuhkan boiler (J/s)
U = Koefisien perpindahan panas total (W/m2. oK)
Dip = Diameter dalam pipa (m)
2. Jumlah pipa.
nπ =πΏπ
Lπ ..............................................................................................2.31
np = Jumlah pipa
Lp = Panjang pipa yang dibutuhkan (m)
24
Ls = Panjang pipa satuan (m)
3. Luas permukaan dinding boiler terkena air.
Aππππ = π Γ π·πππ Γ πππππ ............................................................,.........2.32
Apdba = Luas permukaan dinding boiler terkena air (m2)
π·πππ = Diameter dalam dinding boiler (m)
Tidba = Tinggi permukaan dinding boiler yang terkena air (m)
4. Luas permukaan dinding boiler terkena uap.
Aππππ’ = π Γ π·πππ Γ πππππ’...........................................................,.........2.33
Apdbu = Luas permukaan dinding boiler terkena uap (m2)
π·πππ = Diameter dalam dinding boiler (m)
Tidbu = Tinggi permukaan dinding boiler yang terkena uap (m)
5. Luas permukaan pipa terkena air.
Aπππ = π Γ π·ππ Γ ππππ Γ ππ....................................................,.........2.34
Appa = Luas permukaan pipa terkena air (m2)
π·ππ = Diameter luar pipa (m)
Tipa = Tinggi permukaan pipa yang terkena air (m)
ππ = Jumlah pipa
6. Luas permukaan pipa terkena uap.
Aπππ’ = π Γ π·ππ Γ ππππ’ Γ ππ....................................................,.........2.35
Appu = Luas permukaan pipa terkena uap (m2)
π·ππ = Diameter luar pipa (m)
Tipu = Tinggi permukaan pipa yang terkena uap (m)
ππ = Jumlah pipa
7. Volume dinding boiler
Vππ =π
4Γ π·πππ
2 Γ ππππ.............................................................,.........2.36
Vdb = Volume dinding boiler (m3)
π·πππ = Diameter dalam dinding boiler (m)
Tidb = Tinggi dinding boiler (m)
8. Volume dinding boiler terkena air
Vπππ =π
4Γ π·πππ
2 Γ πππππ.............................................................,.........2.37
Vdba = Volume dinding boiler terkena air (m3)
25
π·πππ = Diameter dalam dinding boiler (m)
Tidba = Tinggi dinding boiler terkena air (m)
9. Volume dinding boiler terkena uap
Vπππ’ =π
4Γ π·πππ
2 Γ πππππ’ .............................................................,.........2.38
Vdbu = Volume dinding boiler terkena uap (m3)
π·πππ = Diameter dalam dinding boiler (m)
Tidbu = Tinggi dinding boiler terkena uap (m)
10. Volume total pipa
Vπ =π
4Γ π·ππ
2 Γ πππ Γ ππ.......................................................,.........2.39
Vp = Volume total pipa (m3)
π·ππ = Diameter luar pipa (m)
Tip = Tinggi pipa (m)
ππ = Jumlah pipa
11. Volume total pipa terkena air
Vππ =π
4Γ π·ππ
2 Γ ππππ Γ ππ.......................................................,.........2.40
Vpa = Volume total pipa terkena air (m3)
π·ππ = Diameter luar pipa (m)
Tipa = Tinggi pipa terkena air (m)
ππ = Jumlah pipa
12. Volume total pipa terkena uap
Vππ’ =π
4Γ π·ππ
2 Γ ππππ’ Γ ππ.......................................................,.........2.41
Vpu = Volume total pipa terkena uap (m3)
π·ππ = Diameter luar pipa (m)
Tipu = Tinggi pipa terkena uap (m)
ππ = Jumlah pipa
2.2.9 Fabrikasi Boiler
Proses fabrikasi boiler menggunakan metode pengelasan dan mur baut.
Pengelasan dipilih karena ringan, permukaan rata, kuat dan efisiensi sambungan
tinggi. Menurut ASME (2004: 86) efisiensi las yang paling baik ialah dengan
26
sambungan butt joint yaitu 85%. Pengelasan yang digunakan untuk fabrikasi
boiler ialah sambungan las butt joint dan lap joint. Berikut skema dan dimensi
bagian sambungan las butt joint dijelaskan pada gambar 2.6 dan untuk sambungan
las lap joint pada gambar 2.7.
Gambar 2.6 Skema sambungan las butt joint
(Khurmi dan Gupta 2005: 353)
Keterangan :
t = Tebal leher (mm)
Ι = Panjang las (mm)
Ukuran las butt joint bisa lebih besar atau lebih kecil dari ketebalan plat.
Ukurann las minimum yang direkomendasikan ditunjukkan oleh tabel 2.3.
Tabel 2.3 minimal ketebalan las butt joint (Khurmi dan Gupta 2005: 353)
Thickness of plate (mm) 3-5 6-8 10-16 18-24 26-55 0ver
68
Minimum size of weld (mm) 3 5 6 10 14 20
Gambar 2.7 Skema sambungan las lap joint
(Khurmi dan Gupta 2005: 349)
27
Keterangan : t = Tebal leher (BD) = s Γ sin 45Β° = 0,707 Γ s
s = Ukuran las = Tebal plat (mm)
Ι = Panjang las (mm)
Sambungan mur dan baut dipilih karena relatif aman dan mudah dipasang dan
dibongkar kembali apabila diperlukan untuk melakukan perawatan atau perbaikan.
Pemilihan mur dan baut harus dapat menahan beban yang dihasilkan boiler,
sehingga harus memperhatikan persamaan 2.34 dan persamaan 2.35 serta
lampiran 8.
1. Gaya akibat tekanan uap
ππ =π
4π·2π........................................................................2.42
D = Diameter silinder (mm)
P = Tekanan perancangan (Pa)
2. Gaya tahan yang dilakukan oleh βnβ jumlah baut
ππππ’π‘ =π
4ππ
2πππππ’π‘................................................................2.43
Pbaut = Gaya tahan yang dilakukan n baut (Pa)
dc = Diameter dalam baut (mm)
S = Tegangan yang diijinkan material (Pa)
nbaut = Jumlah baut
2.2.10 Elemen Hingga.
1. Konsep dasar
Metode elemen hingga dapat disebut Finite Element Method (FEM). Pada
era modern ini metode elemen hingga digunakan untuk menguji suatu kekuatan
maupun keamanan desain. Metode ini dilakukan dengan menganalisa suatu benda
kerja yang dibagi dalam bagian-bagian kecil. pembagian dimaksudkan agar dapat
membuat rekaan dari keseluruhan bagian (Hutton, 2004: 1).
28
Persamaan FEM dalam matrik biasanya berbentuk :
{ πΉ } = [ π ] { π’ }
Dimana : [ k ] = Matrik kekakuan
{ u } = Vektor kolom dengan komponen matrik berupa nilai nodal
{ F } = Gaya yang bekerja pada nodal
Secara umum, tahapan analisis elemen hingga dengan bantuan software
menggunakan 3 tahapan berikut:
1) Model
a. Memasukkan model rancangan dan menentukan bahan
b. Menghasilkan model elemen hingga.
c. Tentukan kondisi batas.
2) Solusi
a. Menjalankan analisis untuk mendapatkan solusi.
3) Hasil ulasan
a. Menarik kesimpulan.
2. Analisis Statis.
Analisis statis berfungsi untuk mengetahui atau menganalisis konstruksi
mesin agar tercapai desain konstruksi yang terjamin kekuatan dan kekakuannya.
Tercapainya hal-hal tersebut akan menghindarkan alat yang dibuat dari kegagalan.
Kegagalan dari konstruksi mesin biasanya disebabkan oleh tegangan yang
diterima melebihi tegangan dari material. Tegangan yang terjadi pada konstruksi
diakibatkan adanya pembebanan. Pembebanan dapat berupa beban, tekanan dan
suhu fluida. Nilai pembebanan dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :
29
1. Beban Air
ππππ = ππππ Γ ππππ Γ π.....................................................................2.44
Wair = Beban air boiler (N)
Vair = Volume air isian di dalam boiler (m3)
Οair = Densitas air (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
2. Beban Uap
ππ’ππ = ππ’ππ Γ ππ’ππ Γ π.....................................................................2.45
Wuap = Beban uap boiler (N)
Vuap = Volume uap isian di dalam boiler (m3)
Ξ‘uap = Densitas uap (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
3. Tekanan Air
ππππ =ππππ
π΄ππ‘π.....................................................................................2.46
Pair = Tekanan air (N/m2)
Wair = Beban air (N)
Apta = Luas permukaan terkena air (m2)
4. Tekanan Uap
ππ’ππ =ππ’ππ
π΄ππ‘π’.....................................................................................2.47
Puap = Tekanan uap (N/m2)
Wuap = Beban uap (N)
Aptu = Luas permukaan terkena uap (m2)
Analisis statis bisa dilakukan manual maupun numerik. Jika dilakukan
dengan cara manual maka satu per satu tiap geometri mesh dihitung sendiri. Cara
ini akan berdampak apabila mesh yang dibuat kecil maka perhitungan yang
dilakukan juga akan semakin banyak, untuk itu guna mempermudah dan
mendapatkan hasil pendekatan yang lebih akurat serta cepat disarankan untuk
dilakukan secara numerik dengan menggunakan bantuan software.
30
3. Software SOLIDWORKS
SOLIDWORKS adalah bagian dari aplikasi CAD yang digunakan untuk
menggambar atau merancang bagian permesinan dengan tampilan 3D maupun 2D
sebelum part atau alat diproduksi agar diperoleh part yang sesuai dengan apa
yang kita inginkan. Selain untuk merancang, SOLIDWORKS juga dapat
digunakan untuk menganalisis kualitas part. Analisis kualitas dari rancangan
mempunyai tujuan agar alat yang akan diproduksi nantinya memiliki konstruksi
yang mampu menahan beban operasi dan aman untuk digunakan. Terdapat
berbagai macam parameter maupun fitur analisis pada SOLIDWORKS seperti
analisis statis dan dinamis terhadap beban, perpindahan panas, dan getaran yang
terjadi.
A. Kelebihan SOLIDWORKS
1. SOLIDWORKS dapat digunakan untuk membuat dan mengedit desain dalam
keadaan solid sehingga bisa memodivikasi jika ada kesalahan tanpa harus
mendesain dari awal.
2. Fitur animasi pada assembly bisa digunakan pengguna untuk mensimulasikan
desain maupun analisis yang dapat disimpan dalam format video.
3. Mampu menampilkan gambar tampak depan, belakang, atas, samping bahkan
isometric secara otomatis dengan model 3d yang kita buat pada fitur drawing.
4. Memiliki fitur rendering yang mampu membuat desain tampak lebih halus.
5. Berbagai fitur analisis yang ada dapat dimanfaatkan untuk memperoleh
kualitas desain mumpuni dan faktor keamanan yang baik.
6. Dilengkapi dengan pengerjaan pengelasan pada menu weldment.
31
7. Terdapat menu untuk memasukan material sehingga dapat digunakan untuk
memvisualisaikan desain agar tampak nyata.
B. Kelemahan SOLIDWORKS
1. Memerlukan spesifikasi komputer yang besar.
2. Membutuhkan RAM minimum 8 gb agar lancar untuk pengoperasiannya.
3. Panjang dan lebar garis maksimal 1.000 m.
78
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Hasil rancangan boiler dengan perhitungan manual mengacu standar ASME
(American Society of Mechanical Enginering) yang selanjutnya dilakukan
pemodelan gambar 3D dan 2D serta analisis statis dengan metode elemen hingga
menggunakan software SOLIDWORKS didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1. Vertical fire tube boiler mempunyai spesifikasi sebagai berikut:
A. Tekanan perancangan : 6 πππ
B. Kapasitas boiler : 420 ππ/πππ
C. Volume air boiler : 1.433,47 πΏ
D. Dimensi Boiler :
1) Badan boiler : Diameter dalam 1.220 mm, tinggi 1.476 mm, tebal 5 mm,
material SA-240
2) Tube sheet : Diameter 1.220 mm, tebal 12 mm, jarak antar pipa 250 mm,
material SA-240
3) Pipa api : Diameter 60 mm, tinggi 1.500 mm, tebal 2 mm, jumlah 12 pipa,
material SA-312
4) Head : Diameter 1.230 mm, tinggi 307,5 mm, tebal 5 mm, material SA-240
5) Pipa nosel : Diameter 25,4 mm, panjang 55 mm, tebal 2 mm, jumlah 5 pipa
nosel, material SA-312
6) Furnace : Diameter dalam 1.180 mm, tinggi 600 mm, tebal 25 mm, material
SA-240
79
2. Hasil analisis boiler :
Analisis statis boiler menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan
software SOLIDWORKS didapatkan hasil sebagai berikut :
1) Tegangan von mises maksimal : 1,578Γ108 π/π2
2) Tegangan von mises minimal : 0,837Γ103 π/π2
3) Displacement maksimal : 0,14 ππ
4) Displacement minimal : 0 ππ
5) Nilai Safety factor : 1,299
Dari angka safety factor 1,299 dapat disimpulkan bahwa boiler aman untuk
digunakan karena nilai tegangan luluh material lebih besar dibanding tegangan von
misses.
3. Desain instalasi boiler :
Desain instalasi boiler merupakan gambar rancangan untuk industri tahu terkait
yang telah dihasilkan pada gambar 4.20.
4. Desain performa boiler :
Perbandingan performa boiler berdasarkan perhitungan dengan tungku
konvensional (observasi) didapatkan hasil bahwasannya rancangan boiler
memiliki kualitas proses produksi yang lebih baik dengan waktu pemanasan yang
lebih cepat 28,01 % sehingga mempersingkat waktu produksi dan juga hemat
biaya karena bahan bakar lebih irit 42,2 %.
5.2 Saran
1. Dalam perancangan boiler ini tidak memperhatikan faktor ekonomi dalam
membuat rancangan desain, sehingga tidak diketahui berapa besaran biaya
80
yang harus dikeluarkan untuk proses pembuatan boiler ini. Diharapkan agar
lebih diperhatikan faktor ekonominya untuk perancangan berikutnya.
2. Perancang hanya melakukan analisis statis pada boiler sehingga hanya
diketahui kekuatan dari konstruksi tanpa mengetahui perpindahan panas yang
terjadi pada boiler. Untuk ke depannya diharapkan dapat dilakukan analisis
pada perpindahan panas boiler.
81
DAFTAR PUSTAKA
Arif, Z. 2014. Mekanika Kekuatan Bahan. Langsa : Fakultas Teknik Jurusan
Teknik Mesin Universitas Samudra Langsa.
Tim-Bestekin. 2014. Pengendalian Korosi Boiler yang Tepat.
https://bestekin.com/2018/01/14/pengendalian-korosi-boiler-yang-tepat/ 01
februari 2019 (17:51)
ASME. 2004. Rules for Construction of Heating Boilers Section IV. July 1 ed.
New York: ASME
ASME . 2010. Properties (Metric) Material Section II Part D. July 1 ed. New
York: ASME
Awwaluddin, M., E. Purwanta, K. Prijono, Priyono, dan S. Praptoyo. 2013.
Analisis Statik Rangka Pemegang Perisai Radiasi pada Alat Scintigraphy
Menggunakan ANSYS. Jurnal Perangkat Nuklri7(1): 12-22.
Cengel, Y. A., dan M. A.Boles. 2006. Thermodynamics An Engineering
Approach. 5th ed. Boston: McGraw-Hill College.
Effendy, D. A., Sunyoto, dan Masugino. 2013. Rancang Bangun Boiler pada
Industri Tahu untuk Proses Pemanas Sistem Uap dengan Menggunakan
Catia V5. Journal of Mechanical Engineering Learning 2(2).
Fatoni, R. 2013. Rekomendasi Standart Sistem Keselamatan untuk Steam Boiler
di Pabrik Tahu. Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT).
Universitas Muhammadiyah Surakarta. Surakarta. 1-6
Hakim, L., dan P. Subekti. 2015. Rancang Bangun Ketel Uap Mini dengan
Pendekatan Standart SNI Berbahan Bakar Cangkang Sawit untuk
Kebutuhan Pabrik Tahu Kapasitas 200 kg Kedelai/Hari. Jurnal APTEK
7(1): 1-8.
Halley, GM. dan EA. Nordstrom. 2004. Rules for Construction of Heating
Boilers. July I. New York: American Society of Mechanical Engineers
Hariyadi, P. 2014. Disain Saniter untuk Mesin dan Peralatan Industri Pangan.
Food Review Indonesia 9(1): 22-25
Hutton, D. V. 2004. Fundamentals of Finite Element Analysis. 1st ed. New York:
McGraw-Hill.
82
Incropera. F.P., D.P. Dewitt, T.L. Bergman, dan A.S. Lavine. 2007. Fundamentals
of Heat and Mass Transfer. 7th ed. USA: Hoboken
Karyono, D.S. Palupi, Suharyanto. 2009. Fisika untuk SMA dan MA Kelas X.
Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional
Kondayya, D. 2016. Structural and Thermal Analysis of a Boiler using Finite
Element Analysis. IPASJ International Journal of Mechanical Enginering
4(2): 1-5.
Khurmi, R.S., dan J.K. Gupta. 2005. Machine Design. New Delhi: Ram Nagar.
Mulianti. 2008. Pengendalian Korosi Pada Ketel Uap. Jurnal Teknik Mesin 5(2):
105-11.
Nugroho, A. P. 2015. Analisa Kehilangan Energi pada Fire Tube Boiler Kapasitas
10 Ton. Jurnal Teknik Mesin. 4(2): 38-43.
Rahmawati, Fitri. 2013. Teknologi Proses Pengolahan Tahu dan Pemanfaatan
Limbahnya. Tanjung Enim : Fakultas Teknik Universitas Yogyakarta.
Sharma, A., dan A. C. Tiwari. 2017. Design of The Horizontal Fire Tube Boiler
for The Commercial Cooking of Indian Food. Journal of Mechanical
Engineering and Technology 5(1): 1-13.
Soedjono, D. M., J. Sasetiyanto, D. Z. Noor, dan H. R. Hapsari. 2015. Analisis
Perhitungan dan Perencanaan Water Tube Boiler Berbahan Bakar LPG
pada Industri Kecil Tahu di Mojokerto. Seminar Nasional Teknologi.
Institut Teknologi Nasional Malang. Malang. 68-76.
Souisa, M. 2011. Analisa Modulus Elastisitas dan Angka Poisson Bahan dengan
Uji Tarik. Jurnal Barekeng 5(2): 9-14.
Sudarman, Suwahyo, dan Sunyoto. 2015. Penerapan Ketel Uap (Steam Boiler)
pada Industri Pengolahan Tahu untuk Meningkatkan Efisiensi Dan
Kualitas Produk. Jurnal Sainteknol 13(1): 71-78.
Winanti, W. S., dan T. Prayudi. 2006. Perhitungan Efisiensi Boiler pada Industri
Tepung Terigu. Journal Teknik Lingkungan: 58-65.