A-Ha 1

PERFORMANCE KETEL UAP

PERFORMANCE KETEL UAP

Performance (penampilan) sebuah ketel uap dapat diukur dalam istilah kapasitas penguapannya. Kapasitas penguapan atau power dari sebuah ketel adalah jumlah air yang diuapkan atau steam yang dihasilkan dalam kg/jam, dapat juga dinyatakan kg/kg bahan bakar yang dibakar atau kg/jam m2 luas permukaan pemanas.Kapasitas penguapan dari dua ketel tidak dapat dibandingkan jika kedua ketel tidak mempunyai kondisi yang sama (suhu air umpan,tekanan kerja, bahan bakar dan kondisi akhir steam).

A-Ha 2

Dalam kenyataan suhu air umpan dan tekanan kerja selalu berubah-ubah. Maka perbandingan dua ketel sulit diperoleh, jika suhu air umpan dan tekanan kerja standart tidak ditentukan.

Suhu air umpan biasanya ditentukan 100 oC dan tekanan kerja sama dengan tekanan atmosfir yang normal 101,325 kPa. hal ini ketel disuplai air pada suhu didihnya (100 oC) sesuai dangan tekanan atmosfir.

A-Ha 3

Penguapan ekuivalen adalah jumlah air yang diuapkan dari air umpan pada 100 oC dan dibentuk menjadi uap kering jenuh pada 100 oC dan tekanan atmosfir. Ini hanya memerlukan panas laten pada 101,42 kPa untuk merubah menjadi uap pada suhu 100 oC. Harga panas laten diambil sebesar 2256,4 kJ/kg. Secara matematik dapat ditulis :

E = 2256,4

umpanair menguapkanuntukdiperlukanyangpanasTotal

1. Penguapan ekuivalen.1. Penguapan ekuivalen.

A-Ha 4

Dimana :

t1 = suhu air umpan, oC

hf = panas sensible dari pada air umpan (kJ/kg)

steam sesuai dengan t1 oC.H = total panas uap (kJ/kg) uap pada tekanan

kerja yang diberikan.

= hf + x hfg ( untuk uap basah)

= hf + hg (untuk uap kering)

= Hsup = hf + hfg + cp (Tsup – tsat) (untuk uappanas lanjut)

x = Dryness fractionWe = Berat air sebenarnya yang diuapkan atau uap

yang dihasilkan (kg/jam atau kg/kg bahan bakar yang dibakar)

A-Ha 5

Dimana panas yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg air adalah :

= H – hf

Jadi total panas yang diperlukan untuk menguapkan We kg air adalah :

= We (H- hf) dan E = kg/kg bahan bakar

harga dikenal juga sebagai faktor penguapan yang ditandai dengan Fe, maka

Fe =

2256,4

hf)-(H We

2256,4

hf)-(H

2256,4

hf)-(H

A-Ha 6

2.Efisiensi Ketel Uap2.Efisiensi Ketel Uap

Efisiensi ketel uap dinyatakan sebagai perbandingan panas sebenarnya yang digunakan dalam pembentukan uap terhadap panas yang dipancarkan didalam dapur. Ini juga dikenal dengan efisiensi thermal dari ketel. Secara matematik :

η =

η =

dapur didalamn dipancarka yang panas

digunakan yang sebenarnya Panas

C

hf)(HWe

A-Ha 7

dimana :

We = Berat air sebenarnya yang diuapkan atau penguapan sebenarnya (kg/kg bahan

bakar)C = Nilai kalori dari pada bahan bakar (kJ/kg

bahan bakar)

Catatan :a). Jika

Ws = Total berat air yang diuapkan menjadi uap, (kg)

Wf = Berat bahan bakar yang digunakan (kg)

A-Ha 8

We = kg/kg bahan bakar

Maka : η =

b). Jika ketel terdiri dari ekonomiser dan superheater dan anggap satu unit tunggal, maka efisiensi dinyatakan sebagai overall efficiency (efisiensi keseluruhan) dari sebuah ketel

f

s

W

W

CW

)h(HW

f

fs

A-Ha 9

3. BOILER HORSE POWER (Daya Ketel)

3. BOILER HORSE POWER (Daya Ketel)

American society of mechanical Engineers (ASME) telah merekomendasi bahwa 1 HP (Horse Power) dari sebuah ketel adalah ekuivalen terhadap penguapan 15,653 kg air per jam dan pada 100 oC. Atau :

BOILER HP = 4,2562x15,653

)h(HW fs

A-Ha 10

Sebuah ketel menguapkan 3,6 kg air per kgbahan bakar menjadi uap jenuh pada 980 kPa absolut. suhu air umpan 32 oC. Berapa penguapan ekuivalen dari dan pada 100 oC dan faktor pengupannya.

Jawab :We = 3,6 kg/kg bahan bakar.p = 980 kPa

t1= 32 oCPenguapan ekuivalen “dari dan pada 100 oC adalah panas sensible dari air umpan.

hf = 134 kJ/kg

Contoh 1:Contoh 1:

A-Ha 11

Dari tabel uap, untuk tekanan 980 kPa (178.9 oC)diperoleh :Dari tabel uap, untuk tekanan 980 kPa (178.9 oC)diperoleh :

H = 2777 kJ/kg

Dengan menggunakan persamaan :

E = kg/kg bahan bakar 2256,4

)h-(H We f

A-Ha 12

= kg/kg bahan bakar

= 4,2 kg/kg bahan bakar

Faktor penguapan,

Fe = = = 1,17

2256,4

)134- (2777 3,6

2256,4

)h-(H f

2256,4

)134- (2777

A-Ha 13

Contoh 2Contoh 2

Berikut adalah hasil pengamatan dari percobaan

sebuah ketel:

Bahan bakar yang digunakan 250 kg dengan

nilai kalor 29726 kJ/kg. Air yang diuapkan 2000 kg. Tekanan uap 1100 kPa. Dryness fraction uap 0,95. Suhu air umpan 34 oC.

Hitunglah penguapan ekuivalen “dari dan pada

100 oC” per kg bahan bakar dan efisiensi ketel

A-Ha 14

Jawab:Jawab:

Wf = 250 kg C = 29726 kJ/kg

Ws = 2000 kg P = 1100 kPa

x = 0,95 T1 = 34 oC

hf = 142,5 kJ/kg

Penguapan ekuivalen “dari dan pada 100 oC adalah :

Berat air sebenarnya yang diuapkan .

We = kg/kg bahan bakar8

250

2000

W

W

f

s

A-Ha 15

Dari tabel uap untuk tekanan 1100 kPa diperoleh :

hf = 781,03 kJ/kg hfg = 1999,6 kJ/kgJadi

H = hf + x hfg

= 781,03 + 0,95 (1999,6)= 2680,65 kJ/kg

Dengan menggunakan persamaan :

E = 2256,4

)h-(H W fe

A-Ha 16

E =

= 8,9 kg/kg bahan bakarEffisiensi ketel :

η = =

= 0,683 atau 68,3 %

2256,4

)5,142-(2680,65 8

C

hf)(HWe 29726

)5,142-(2680,65 8

A-Ha 17

Contoh 3Sebuah ketel Lancashire menghasilkan 2400 kg uap kering pada tekanan 1000 kPa. Luas tungku api (permukaan panas) 3 m2 dan 90 kg bahan bakar per m2 tungku api per jam.Nilai kalor bahan bakar 33100 kJ/kg dan suhu air umpan 20 oC

Hitung :a) Penguapan sebenarnya per kg bahan bakarb) HP ketelc) Effisiensi keteld) Faktor penguapan

A-Ha 18

Ws = 2400 kg

P = 1000 kPa abs

Luas tungku api = 3 m2

Berat bahan bakar yang dibakar = 90 kg/m2 jam

Jadi berat bahan bakar yang dibakar per jam.

Wf = 3 x 90 = 270 kg

C = 33100 kJ/kg

T1 = 20 oC

hf = 83,915 kJ/kg

Jawab :Jawab :

A-Ha 19

a). Penguapan sebenarnya per lb bahan bakar

We = = = 8,89 kg/kg bahan bakar

b). HP ketel

Dari tabel uap pada tekanan 1000 kPa diperoleh :

H = 2777,1 kJ/kg

Maka :

=

= = 0,68 h.p.

Wf

Ws270

2400

4,2562x563,51

)h(HW fe

4,2256563,15

)915,831,2777(89,8

x

A-Ha 20

c). Effisiensi ketel :

η = = = 0,7233

atau = 72,33%

d). Faktor penguapan

Fe = = = 1,2

C

hf)(HWe 33100

)9,831,2777(89,8

2256,4

)h-(H f

4,2256

)9,831,2777(

A-Ha 21

4. Kehilangan Panas4. Kehilangan Panas

Kehilangan panas adalah selisih panas yang dipancarkan didalam dapur dengan panas yang digunakan untuk menghasilkan uap

Kehilangan panas pada sebuah ketel adalah melalui beberapa subyek yakni :

a. kehilangan panas (heat losess) melalui gas asap

b. kehilangan panas (heat losess) karena kelembaban atau kandungan air didalam bahan bakar.

A-Ha 22

c. kehilangan panas (heat losess) melalui uap yang terbentuk dari reaksi pembakaran hydrogen per kg bahan bakar

d. kehilangan panas (heat losess) karena karbon yang tidak terbakar didalam tempat abu

e. kehilangan panas (heat losess) karena pembakaran karbon pada karbo monoksida (CO)

f. kehilangan panas (heat losess) melalui radiasi dinding dapur ketel.

A-Ha 23

4.1 Kehilangan panas (heat losess) melalui gas asap4.1 Kehilangan panas (heat losess) melalui gas asap

Kehilangan panas (heat losess) melalui gas asap per kg bahan bakar dinyatakan sebagai berikut

q1 = W x cp (tf – tb)Dimana :q1 = kehilangan panas (heat losess) melalui gas

asap kJ/kg bahan bakarW = berat gas asap per kg bahan bakarcp = panas jenis rata-rata gas asapTf = suhu gas asap meninggalkan cerobongTb = suhu ruang disekitar ketel uap.

A-Ha 24

4.2. Kehilangan panas (heat losess) karena kelembaban bahan bakar

4.2. Kehilangan panas (heat losess) karena kelembaban bahan bakar

Kehilangan panas (heat losess) ini dianggap bahwa kelembaban dikonversi menjadi super heated steam pada tekanan atmosfir (101,33 kPa). Kehilangan panas (heat losess) karena kelembaban bahan bakar dapat dihitung dengan formula sebagai berikut :

q2 = W x (Hsup – hb)

= W [(h + hfg + cp (tf – tsat)) – hb]

= W [(419,06 + 2256,4 + cp(tf – 100)) – hb]

A-Ha 25

untuk : P = 101,3 kPa h = 419,06 kJ/kg hfg = 2256,4 kJ/kg, tsat = 100 oC

q2 = W [ (2675,46 + cp (tf – 100)) – hb]dimana : W = Berat kandungan air didalam bahan

bakar per kgcp = panas jenis rata-rata dari superheated

steam didalam gas asapTf = suhu gas asap meninggalkan cerobong.Tsat = suhu jenuhhb = sensible heat air pada suhu ruangan

sekitar ketel

A-Ha 26

4.3. Kehilangan panas melalui steam yang terbentuk dari reaksi pembakaran

4.3. Kehilangan panas melalui steam yang terbentuk dari reaksi pembakaran

H adalah berat hydrogen yang terkandung didalam setiap kg bahan bakar. Berat steam yang terbentuk dari hasil pembakaran adalah :

= 9 H2

kemudian panas yang hilang :

q3 = 9 H2 [ (2675,46 + cp (tf – 100)) – hb]

A-Ha 27

catatan :

panas yang hilang melalui steam yang terbentuk karena reaksi pembakaran, dan kelembaban bahan bakar per kg adalah :

q2.3 = (9H2 + W) [ (2675,46 + cp (tf – 100)) – hb]

A-Ha 28

4.4. Kehilangan panas karena karbon yang tidak terbakar

4.4. Kehilangan panas karena karbon yang tidak terbakar

Besarnya kehilangan panas karena karbon yang

tidak terbakar didalam tempat abu

q4 = W1 x C1

Dimana

W1 = berat karbon didalam tempat abu per kg

bahan bakar

C1 = Nilai kalori dari pada karbon

A-Ha 29

4.5. Kehilangan panas karena pembakaran karbon pada karbon monoksida (CO)

4.5. Kehilangan panas karena pembakaran karbon pada karbon monoksida (CO)

Umumnya kehilangan panas ini terjadi pada ketel uap yang suplay udaranya tidak cukup.

Kehilangan panas terhadap pembaaran yang tidak sempurna,

q5 = W2 x C2

Dimana :

W2 = berat karbon monoksida didalam gas asap

per kg bahan bakar

C2 = Nilai kalori karbon monoksida

A-Ha 30

4.6. Kehilanagan panas melalui radiasi

4.6. Kehilanagan panas melalui radiasi

Kehilangan panas karena radiasi melalui dinding ketel ini secara tidak langsung merupakan selisih dari panas yang dipancarkan dan jumlah kehilangan panas setelah dikurangi oleh panas yang digunakan untuk menghasilkan uap.

Untuk perhitungan yang lebih teliti besarnya kehilangan panas akibat radiasi melalui dinding dapur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan perpindahan panas secara radiasi.

A-Ha 31

5. NERACA PANAS5. NERACA PANAS

Neraca panas adalah suatu perhitungan panas yang menunjukkan perhitungan yang lengkap dari panas yang diberika oleh 1 kg bahan bakar dan panas yang dipakai.Panas yang diberikan terutama digunakan untuk menghasilkan uap dan sisanya adalah panas yang hilang.Panas yang digunakan untuk menghasilkan uap besarnya adalah :

= We (H – hf)Neraca panas untuk sebuah ketel uap ditunjukkan dalam kolom neraca seperti berikut :

A-Ha 32

Bentuk neraca panas pada sebuah ketel uap per lb bahan bakar.Bentuk neraca panas pada sebuah ketel uap per lb bahan bakar.Panas yang diberikan Panas yang dipakai

Dari kJ % Untuk kJ %

1 kg bahan bakar

q 100 1. Produksi uap qs

2. Terbawa gas asap q1

3. Kelembaban q2

4. uap dari pembakaran q3

5. Karbon tidak terbakar q4

6. Pembakaran tidak

sempurna

q5

7. Radiasi q-(qs+q1+q2+ q3+q4+q5)

Total q 100 Total q 100

A-Ha 33

Contoh 5 :Contoh 5 : Dalam percobaan sebuah ketel, dari hasil pengamatan

diperoleh data sebagai berikut:Tekanan uap = 1000 kPa. Uap yang dikondensasikan = 540 kg/jamBahan bakar yang digunakan 65 kg/jamKelembaban didalam bahan bakar 2% beratBerat gas asap 9 kg/kg bahan bakarNilai kalori rendah bahan bakar 33500 kJ/kgSuhu gas asap 325 oC. Suhu air umpan 50 oC. Suhu sekitar ketel 28 oC. Panas jenis rata-rata gas asap 1,0048 kJ/kg KPanas jenis rata-rata uap = 2,09 kJ/kg K. Dryness fraction 0,95Buat neraca panas untuk ketel tersebut

A-Ha 34

Jawab :Jawab :

Ws = 540 kg/jam t1 = 50 oCh1 = 209,34 kJ/kg P = 1000 kPa absx = 0,95 Wf = 65 kg/jamW = 9 kg/kg bahan bakar cp gas asap = 0,24cp uap panas lanjut = 0,5 Tf = 325 oFtb = 28 oC C = 33500 kJ/kghb = 117,4 kJ/kgw = 0,02 kg/kg bahan bakar

Pertama-tama tentukan panas yang diberikan oleh 1 kg bahan bakar selama kelembaban ada didalam bahan bakar, maka panas yang diberikan oleh 1 kg bahan bakar

= (1 - 0,02) kg x 33500 kJ/kg= 32562 kJ

A-Ha 35

a. Panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap, dimana berat air sebenarnyayang diuapkan per lb bahan bakar adalah :

a. Panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap, dimana berat air sebenarnyayang diuapkan per lb bahan bakar adalah :

We = = = 8,3 kg/kg bahan bakar

dari tabel uap pada teknan 1000 kPa diperoleh

hf = 762,51 kJ/kg

hfg = 2014,6 kJ/kg

Wf

Ws

65

540

A-Ha 36

Panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap :

= We (H – h1)

= We [(hf + x hfg) – h1]

= 8,3 [(762,51 + (0,95 x 2014,6)) – 209,34 ]

= 20476,432 kJ/kg bahan bakar

A-Ha 37

b. Panas yang terbawa oleh gas asap := W x cp (tf – tb)= 9 x 1,0048 (325 – 28)= 2685,83 kJ/kg bahan bakar

c. Panas yang terbawa oleh kelembaban didalam bahan bakar

= w [(2675,46 + cp (tf – 100)) – hb]= 0,02 [(2675,46 + 2,09 (325 – 100)) – 117,4]= 60,57 kJ/kg bahan bakar

d. Kehilangan panas karena radiasi = 32562 – (20476,432 + 2685,83 + 60,57)= 9339,17 kJ/kg bahan bakar

A-Ha 38

Neraca panas per kg/bahan bakar.Neraca panas per kg/bahan bakar.

Panas yang diberikan Panas yang dipakai

Dari kJ % Untuk kJ %

1 kg bahan bakar 32562 100 1. Produksi uap 20476,43 62,88

2. Terbawa gas asap 2685,83 8,2

3. Kelembaban 60,57 0,186

4. Radiasi 9339,17 28,68

Total 32562 100 Total 32562 100