Upload
truongnga
View
254
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
PERANCANGAN PEMANAS UDARA
PADA
BOILER PIPA PIPA AIR FCB
TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh : Nama : Ignatius Dani Ardianto NIM : 035214010
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA 2007
PERANCANGAN PEMANAS UDARA
PADA
BOILER PIPA PIPA AIR FCB
TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh : Nama : Ignatius Dani Ardianto NIM : 035214010
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA 2007
i
AIR HEATER DESIGN
FOR FCB WATER PIPES BOILER
Final Project Presented as partial fulfillment of requirements
to obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering
Presented by :
Name : Ignatius Dani Ardianto NIM : 035214010
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2007
ii
iii
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat
karya yang pernah diajukan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang
pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau
diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini
dan disebutkan dalam daftar pustaka
Yogyakarta, 6 Desember 2007
Penulis
Ignatius Dani Ardianto
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus atas berkat, kasih,
rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini
sebagai salah satu syarat menyelesaikan studi di Program Studi Teknik Mesin,
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, Tugas
Akhir ini berjudul ‘Perancangan Pemanas Udara Pada Boiler Pipa-pipa Air
FCB’.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua
pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini, khususnya
kepada :
1. Ir. Greg Heliarko S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc., selaku dekan Fakultas
Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. Y.B. Lukiyanto, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah
banyak membimbing selama penulisan tugas akhir ini.
3. Bapak Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T. dan Ir. F.A. Rusdi Sambada
M.T. yang telah memberi masukan bagi penulis sehingga Tugas Akhir ini
dapat menjadi lebih baik.
4. Para dosen Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang
telah memberikan bekal untuk menyusun tugas akhir ini.
5. General Manager PT. PG. Jatitujuh beserta Kabag di PT. PG. Jatitujuh.
6. Bapak Bangun Priyanto selaku masinis stasiun Boiler di PT. PG. Jatitujuh.
7. Aris Arsandi ST. selaku staff asisten masinis stasiun Boiler di PT. PG.
Jatitujuh.
vi
8. Bapak Boby M. Mais selaku foreman stasiun Boiler di PT. PG. Jatitujuh
Dengan segala kerendahan hati, penulis menyadari bahwa rancang bangun
mesin ini jauh dari sempurna.Oleh karena itu dengan hati terbuka penulis akan
menerima segala kritik, saran dan usulan.
Akhir kata penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi
semua pihak yang membacanya.
Yogyakarta, 4 Desember 2007
Penulis
Ignatius Dani Ardianto
vii
DAFTAR ISI
halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN JUDUL (INGGRIS) ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING iii
HALAMAN PENGESAHAN iv
HALAMAN PERNYATAAN v
KATA PENGANTAR vi
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
INTISARI xiv
BAB I. PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Masalah 2
1.3. Pokok Bahasan 2
1.4. Ruang Lingkup 2
1.5. Sistematika Penyajian 4
BAB II. DASAR TEORI 7
2.1. Perpindahan Panas Radiasi 7
2.2. Perpindahan Panas Konveksi 8
2.3. Perpindahan Panas Konduksi 9
2.4. Jenis-jenis Ketel Uap 10
2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12
viii
2.5.1. Ketel Seksi dan variannya 13
2.5.2. Ketel Yarrow 18
2.5.3. Ketel-ketel berpipa terjal 21
2.5.4. Ketel-ketel Pancaran 23
2.6. Ekonomiser 26
2.7. Pemanas Udara atau Air-Preheater 29
2.8. Proses Pengopakan 31
2.8.1. Pembakaran Bahan Bakar Gas 31
2.8.2. Pembakaran Bahan Bakar Cair 32
2.8.3. Pembakaran Bahan Bakar Padat 33
BAB III. PERANCANGAN 35
3.1. Kenaikan Suhu di dalam pipa-pipa airheater 36
3.2. Perhitungan Luas Penukar Panas Air Heater 41
3.2.1. Perpindahan panas di luar pipa-pipa air heater 43
3.2.2. Perpindahan panas di dalam pipa-pipa air heater 46
3.2.3. Pemuaian Pipa 54
3.3. Perhitungan Fan 55
3.3.1. Induced Draft Fan 56
3.3.2. Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan 59
BAB IV. KESIMPULAN 63
DAFTAR PUSTAKA 65
LAMPIRAN 66
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Data Teknis Induced Draft Fan 56
Tabel 3.2 Data Teknis Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan 59
Tabel 1. Properties of Air 67
Tabel 2. Dimensi Pipa Baja 68
Tabel 3. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer 69
Tabel 4. Nilai C dan n 70
Tabel 5. Sifat-sifat fisis dan tegangan ijin untuk beberapa bahan teknik 70
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Boiler FCB tampak samping 5
Gambar 1.2. Boiler FCB tampak atas 6
Gambar 2.1. Ketel Seksi 14
Gambar 2.2. Gambar detail bagian-bagian ketel seksi 16
Gambar 2.3. Beberapa varian ketel seksi 17
Gambar 2.4. Penempatan superheater dan economizer 18
Gambar 2.5. Ketel Yarrow 19
Gambar 2.6. Ketel-ketek berpipa terjal 21
Gambar 3.1. Penempatan Air Heater dan Posisi Fan Boiler FCB (samping)38
Gambar 3.2. Penempatan Air Heater dan Posisi Fan Boiler FCB (atas) 39
Gambar 3.3. Skema Aliran Air Heater 40
Gambar 3.4. Penyusunan Pipa Tabung Segaris 41
Gambar 1. Grafik Friction Factor 71
Gambar 2. Grafik Depth Factor 71
Gambar 3. Friction Factor 72
xi
INTISARI
Boiler sebagai alat pembangkit uap adalah salah satu alat yang sangat penting peranannya di dalam beberapa industri. Pabrik Gula Rajawali II Jatitujuh Majalengka Jawa Barat adalah salah satu industri yang memanfaatkan uap dalam proses produksinya. Uap digunakannya sebagai tenaga penggerak turbin Gilingan, Turbin Pisau Tebu (Cane Cutter), Turbin Alternator dan suplesi uap untuk proses produksi gula. Stasiun Boiiler PG. Jatitujuh dilengkapi dengan 3 unit boiler yang 2 diantaranya yaitu boiler pipa pipa air Fail Cail Babcock (FCB) dengan kapasitas uap 55 ton/jam, tekanan kerja rata-rata 26 bar dan temperatur sekitar 350 oC. Boiler FCB sudah dilengkapi dengan Economizer namun belum dilengkapi dengan AirHeater dan suhu gas panas yang dibuang melalui cerobong sekitar 240 oC. Efisiensi Thermis Ketel akan naik nilainya jika jumlah kalor yang dibuang ke lingkungan dapat dikurangi dengan cara menggunakan suhu gas panas yang akan dibuang ke lingkungan. Salah satu cara untuk menaikkan efisiensi ketel adalah dengan cara menambahkan air heater untuk menaikkan suhu udara untuk pembakaran menggunakan gas panas yang akan dibuang.
Prinsip kerja dari air heater yang akan dirancang yaitu mengalirkan udara ke dalam berkas pipa yang menyilang arah aliran gas panas. Maka akan terjadi perpindahan panas dari gas panas ke udara di dalam berkas pipa tersebut. Perancangan akan menggunakan pipa baja 2 inch skedul 40 dengan penyusunan pipa tabung segaris yang diletakkan pada ruang dengan ukuran 6 x 1,27 x 0,5 meter. Perancangan bertujuan untuk mencari luas penukar kalor yang dibutuhkan dan suhu gas panas maupun udara yang dapat dicapai dengan penggunaan air heater dan menentukan daya fan pendukung yang dibutuhkan.
Dari perancangan tersebut ditemukan bahwa luas penukar kalor yaitu 69,10 m2, jumlah pipa 60 buah, suhu gas panas keluar air heater 224,16 oC, suhu udara keluar air heater 211,83oC, daya Induced Draft Fan sebesar 186,35 kW dan daya Swirling dan spreading air fan sebesar 53,195 kW.
xii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Boiler sebagai alat pembangkit uap adalah salah satu alat yang sangat
penting peranannya di dalam beberapa industri. Pabrik Gula Rajawali II Jatitujuh
Majalengka Jawa Barat adalah salah satu industri yang memanfaatkan uap dalam
proses produksinya. Uap digunakannya sebagai tenaga penggerak turbin Gilingan,
Turbin Pisau Tebu (Cane Cutter), Turbin Alternator dan suplesi uap untuk proses
produksi gula.
Stasiun Boiler PG Jatitujuh dilengkapi dengan tiga unit boiler pipa-pipa air
dengan kapasitas uap masing-masing boiler 55 ton per jam, tekanan kerja rata-rata
26 bar dan temperatur sekitar 350oC. Boiler yang digunakan adalah 2 unit Boiler
Fail Cail Babcock (FCB) dengan economizer dan 1 unit Boiler Hitachi dengan air
heater. Penggunaan Economizer maupun air heater pada boiler bertujuan untuk
mengurangi jumlah kehilangan panas boiler yang akan mempengaruhi efisiensi
boiler. Efisiensi suatu alat di dalam suatu industri diharapkan dapat setinggi
mungkin, begitu pula efisiensi Boiler pada stasiun Boiler.
Boiler FCB dengan economizer masih memiliki gas buang dengan
temperatur sekitar 240oC sehingga kehilangan kalor pada boiler masih cukup
tinggi. Gas buang tersebut masih dapat dimanfaatkan dengan penambahan air
heater, yaitu alat untuk memanaskan udara sebelum masuk ke dalam boiler.
Dengan penambahan air heater pada boiler FCB diharapkan suhu gas buang
menurun temperaturnya dan efisiensi boiler akan naik. Selain itu dengan
1
memanaskan udara pembakar terlebih dahulu sebelum masuk ke dalam tungku
membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung di dalam bahan
bakar (khususnya bahan bakar padat) sehingga akan mempercepat berlangsungnya
pembakaran bahan bakar di dalam tungku. Oleh karena itu penulis akan mencoba
melakukan perancangan air heater yang akan diaplikasikan pada Boiler FCB di
PG Jatitujuh
1.2. Rumusan Masalah
Air heater dirancang atau dibuat dengan perhitungan-perhitungan agar
tujuan penambahan air heater dapat tercapai yaitu perpindahan panas yang
optimal pada unit air heater, maka dirumuskan 2 pokok permasalahan yaitu :
1. Berapa besar kebutuhan luas penukar kalor yang dibutuhkan sebuah
air heater untuk menurunkan temperatur gas panas yang akan dibuang
melalui cerobong dari 240oC menjadi 225oC?
2. Berapa besar kapasitas fan tambahan untuk mendorong udara
pembakaran ke dalam unit air heater?
1.3. Pokok Bahasan
Penulisan Tugas Akhir ini memiliki tujuan yaitu merancang air heater
yang akan dipasang pada boiler tipe pipa-pipa air FCB Pabrik Gula Jatitujuh
Majalengka Jawa Barat sehingga dapat menaikkan nilai efisiensi ketel.
1.4. Ruang Lingkup
Boiler sebagai alat untuk menghasilkan uap memiliki alat pendukung
untuk menaikkan efisiensi ketel yaitu economizer dan air heater. Boiler FCB
sudah dilengkapi unit economizer namun belum dilengkapi dengan air heater.
2
Selain itu Boiler FCB juga dilengkapi beberapa fan yaitu :
1. Baggase Combustion Air Fan
BCAF yaitu fan yang digunakan untuk mendorong udara luar masuk ke
dalam boiler sebagai udara primer pembakaran Baggase
2. Fuel Oil Combustion Air Fan
FOCAF yaitu fan yang digunakan untuk mendorong udara luar masuk ke
dalam boiler sebagai udara pembakaran IDO
3. Swirling Air Fan
Swirling Air Fan yaitu fan yang digunakan untuk mendorong udara luar
masuk ke dalam ruang bakar sebagai udara pembakaran sekunder.
4. Spreading Air Fan
Spreading Air Fan yaitu fan yang digunakan untuk menghembus Baggase
pada baggase feeder agar baggase yang masuk ke dalam ruang bakar
dapat merata.
5. Induced Air Fan
IDF yaitu fan yang digunakan untuk menarik gas panas yang akan dibuang
melalui cerobong.
Perancangan yang dilakukan yaitu perancangan unit air heater pada Boiler
FCB, namun perhitungan hanya untuk pemanasan udara yang masuk ke dalam
ruang bakar melalui Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan. Jadi perancangan
dilakukan menentukan jumlah luas pemanas (jumlah pipa) dan pengaturan pipa
pada ruang dengan ukuran yang terletak di bawah economizer. Selain itu juga
dilakukan perancangan ukuran kipas tambahan untuk memberi dorongan pada
udara yang melalui economizer.
3
Perancangan air heater yang dilakukan yaitu air heater yang akan
dipasang pada ruang yang tersedia di bagian bawah economizer. Ruang tersebut
memiliki dimensi 500 x 6000 x 1270 mm.
Penambahan air heater pada boiler akan menyebabkan terjadinya head
loss/pressure drop yang berhubungan dengan perhitungan kebutuhan fan. Maka
dari itu head loss/drop pressure juga akan dihitung di dalam perancangan.
1.5 Sistematika Penyajian
Pada Bab I akan disajikan Pendahuluan yang berisi latar belakang
perancangan, rumusan masalah, tujuan perancangan, manfaat perancangan, ruang
lingkup, sistematika penyajian. Pada Bab II akan disajikan Dasar Teori yang
mendukung perancangan. Pada bab III akan disajikan perhitungan perancangan
air heater yang mencakup jumlah luas pemanas dan perhitungan fan tambahan.
Pada bab IV akan disajikan kesimpulan hasil perancangan.
4
Gambar 1.1. Boiler FCB tampak samping 5
Gambar 1.2. Boiler FCB tampak atas
6
BAB II
DASAR TEORI
Boiler adalah alat yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Uap
yang dihasilkan oleh boiler adalah hasil dari perpindahan panas yang terjadi di
dalamnya. Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara, yang
berupa api (yang menyala) dan gas asap ( yang tidak menyala) dipindahkan
kepada air, uap ataupun udara di dalam ketel uap. Perpindahan panas yang terjadi
di dalam ketel ada tiga macam yaitu :
1. Perpindahan panas pancaran atau radiasi
2. Perpindahan panas Aliran atau Konveksi
3. Perpindahan panas Perambatan atau Konduksi
2.1. Perpindahan Panas Radiasi
Pemindahan panas secara Pancaran atau Radiasi adalah perpindahan panas
antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-
gelombang elektromagnetis tanapa tergantung ada tidaknya media atau zat di
antara benda yang menerima pancaran panas tersebut.
Bidang yang akan dipanasi hanya dapat menerima perpindahan panas
secara pancaran bila bidang/benda tersebut dapat melihat api tersebut. Dan bila
suatu benda/bidang terhalang penglihatannya maka bidang/benda tersebut tidak
akan memperoleh panas secara pancaran/radiasi.
Bila pancaran panas menimpa sesuatu benda atau bidang, sebagian panas
pancaran yang diterima benda tersebut, akan dipancarkan kembali (re-radiated)
7
atau dipantulkan (reflected) dan sebagian lain dari panas pancaran tersebut akan
diserapnya.
2.2. Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas secara Aliran atau konveksi adalah perpindahan panas
yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair maupun gas). Molekul-
molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang ke sana ke mari
membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida
tersebut menyentuh dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, yaitu q1
Joule kepada dinding ketel, selebihnya yaitu q = q – q1 Joule dibawa pergi. Ada 2
macam perpindahan panas secara Konveksi yaitu :
1. Perpindahan panas Konveksi Bebas (Free Convection)
Molekul-molekul yang melayang ke sana ke mari disebabkan karena
perbedaan temperatur di dalam fluida itu sendiri.
2. Perpindahan Panas Konveksi Paksa (Forced Convection)
Molekul-molekul bergerak sebagai akibat adanya kekuakatan mekanis (dipompa
atau karena dihembus dengan fan).
Jumlah panas yang dipindahkan secara konveksi dapat dihitung dengan
persamaan
jamKJTTAhQ dindingapi /)(. −=
dengan : Q = Perpindahan panas konveksi (Watt)
h = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m-2. K)
A = Luas Permukaan Penukar Panas (m2)
Tapi = Temperatur api (Kelvin)
Tdinding = Temperatur dinding (Kelvin)
8
2.3. Perpindahan Panas secara Konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas dari satu bagian
benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau dari benda padat
yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik (kontak
fisik atau menempel), tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda
padat itu sendiri.
Di dalam dinding ketel tersebut, panas akan dirambatkan oleh molekul-
molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan api, menuju ke
molekul-molekul dinding ketel sebelah dalam yang berbatasan dengan air, uap
atau udara. Perambatan panas melalui benda padat menempuh jarak yang
terpendek.
Jumlah panas yang dirambatkan melalui perpindahan panas konduksi dapat
dihitung dengan persamaan :
x
TTAkQ dd
∆−
=)(
.. 21
dengan :
Q = Perpindahan panas konduksi
k = Koefisien Perpindahan Panas Konduksi
A = Luas permukaan penukar panas
Td1 = Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api
Td2 = Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan air, uap atau udara
∆x = Tebal dinding ketel
Selanjutnya panas yang dibawa merambat oleh dinding ketel tersebut akan
diterima oleh molekul-molekul air, uap maupun udara dengan cara konveksi pula,
yaitu penyerahan sebagian panas dari molekul-molekul dinding ketel kepada
9
molekul-molekul air, uap ataupun udara. Molekul-molekul air, uap ataupun udara
tersebut dalam keadaan mengalir/bergerak, bukan dalam kondisi diam.
Jadi di dalam sebuah boiler perpindahan panas konveksi dan konduksi secara
bersama-sama adalah sebagai berikut :
• Panas dialihkan dari fluida (api atau gas asap) kepada benda padat
(dinding ketel).
• Panas dirambatkan di dalam benda padat (dinding ketel) atau di dalam
benda padat berlapis (jelaga – dinding ketel – kerak ketel).
• Panas dialihkan dari benda padat (dinding ketel atau kerak ketel) kepada
fluida (air, uap ataupun udara).
2.4. Jenis-jenis Ketel Uap
Ketel uap dapat diklasifikasikan menjadi tiga golongan utama yaitu :
1. Ketel-ketel Lorong Api dan Ketel-ketel Pipa Api
Gas asap yang digunakan untuk memanasi air dan uap, akan melalui
silinder api, lorong-lorong api dan pipa-pipa ataupun tabung-tabung api (fire
cilinder, fire duct, fire pipes and fire tubes), yang di bagian luarnya terdapat air
atau uap.
Jenis ketel-ketel uap yang tergolong dalam ketel lorong api atau ketel pipa
api adalah ketel-ketel uap kecil serta sederhana, yang hanya mampu memproduksi
uap maksimum sebanyak 10 ton uap per jam, dengan tekanan maksimum 24
kg/cm2. Jadi tergolong ketel-ketel untuk tekanan rendah. Ketel-ketel ini umumnya
10
mempunyai isi air yang cukup besar, sehingga merupakan tangki. Maka dari itu
jenis ketel ini sering disebut ketel-ketel tangki.
Yang termasuk dalam golongan ini adalah :
a. Ketel Cornwall dan ketel Lancashire.
b. Ketel Schots dan ketel Schots kembar.
c. Ketel Kombinasi antara silinder api, lorong api dan pipa-pipa api, serta
pipa uap, beserta beberapa variannya.
d. Ketel Lokomotif dan Lokomobil
e. Ketel-ketel Tegak, ketel Cochran dan variannya.
2. Ketel-ketel Pipa Air Biasa
Yaitu ketel-ketel air atau uap di dalam pipa-pipa atau tabung-tabung, yang
dipanasi oleh api atau asap di bagian luarnya. Ketel-ketel pipa air ini umumnya
bertekanan sedang yaitu antara 45 kg / cm2 sampai dengan 140 kg / cm2, dengan
produksi uap mencapai 1.000 ton uap setiap jamnya. Jenis-jenis ketel ini
mempunyai efisiensi total yang lebih besar dari ketel-ketel pipa api.
Yang termasuk dalam golongan ketel-ketel air biasa ialah :
a. Ketel Seksi (Section Boiler) dan beberapa variannya
b. Ketel Yarrow dan ketel-ketel berpipa-pipa terjal serta beberapa variannya.
c. Ketel D (D-Boiler) atau ketel dengan dua drum
d. Ketel pancaran dan beberapa variannya
3. Ketel-ketel Pipa Air dengan Perencanaan Khusus
Ketel-ketel ini direncanakan dengan berbagai maksud, antara lain :
• Digunakan untuk tekanan-tekanan tinggi dan tekanan superkritis, melebihi
225 kg/cm2.
11
• Untuk dapat menggunakan bahan bakar nuklir.
• Untuk dapat menggunakan air dengan kualitas agak rendah.
• Untuk memperbesar beban tungku ketel atau untuk memperbesar angka
perpindahan panasnya.
• Dan untuk maksud-maksud lainnya.
Yang termasuk dalam golongan ketel-ketel pipa air dengan perencanaan khusus
ialah:
a. Ketel Siklus Ganda atau Binaire Cycle Boiler, dengan variannya beruap
ketel/reaktor nuklir.
b. Ketel-ketel untuk tekanan superkritis, yaitu ketel Benson, ketel Sulzer dan
ketel Universal pressure boiler.
c. Ketel Loffer atau ketel siklus uap (Circulating steam boiler) yang
memungkinkan penggunaan air dengan kualitas agak rendah.
d. Ketel Velox dan ketel-ketel dengan tungku bertekanan dengan maksud
memperbesar beban tungku serta memperbesar angka perpindahan
panasnya.
e. Ketel Merkuri, yang menggunakan air raksa dan uapnya.
2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan Desain Biasa
Ketel-ketel pipa air (water tubes boiler) digunakan untuk memproduksi
uap di atas 40 kg/cm2 serta temperatur di atas 500oC dengan kapasitas produksi
uap lebih dari 15 ton uap per jam.
12
2.5.1. Ketel Seksi (Section Boiler) dan Variannya
Dalam gambar 2.1 terlihat adanya sebuah drum ketel yang berdiameter
sekitar 1200-1600 mm. Dari dasar drum ketel ini terdapat pipa-pipa air terjun
(down comer's pipes) yang berdiameter sekitar 100 mm. Pipa-pipa air terjun
tersebut berakhir di bawah pada kotak-kotak seksi air (water section boxes), yaitu
berupa kotak air yang dibuat berkelok-kelok, yang pada setiap lekukan tersebut
terdapat pipa-pipa penguap air (evaporator's pipes) berdiameter 60 mm sampai 80
mm, yang ditempatkan di daerah pancaran api ataupun di daerah aliran gas asap atau
daerah konveksi. Api atau gas asap mengalir di antara pipa-pipa dan menyerahkan
panasnya
Penyerahan panas yang paling baik diperoleh bila pipa-pipa penguap air
penempatannya dilakukan berselang-seling ke atas, sehingga kotak-kotak seksi air
maupun kotak-kotak seksi uap dibuat berkelok-kelok menyesuaikannya.
Air yang dingin mengalir dari drum ketel ke bawah melalui pipa-
pipa terjun. Di dalam pipa-pipa penguap yang agak condong, banyak di-
bentuk uap. Gelembung-gelembung uap akan naik dan tempatnya
digantikan oleh air yang datang mengalir. Sudut kemiringan pipa-pipa
penguap sekitar 15° - 20°. Dengan sudut kemiringan sekitar 15° - 20° dapat
dicapai sirkulasi air yang baik sekali, sehingga tidak memungkinkan atau
mengurangi kemungkinan pecah-terbakarnya pipa-pipa penguap.
13
Gambar 2.1. Ketel Seksi
Sumber : Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, hal 217
KETERANGAN GAMBAR KETEL SEKSI :
1= Fan Tekan = Forced Draught Fan = F.D.F. 2 = Pipa-pipa Pemanas Udara = Air Heater pipes. 3= Saluran udara panas =Hot Ai r duct. 4 = Saluran bahan bakar = Fuel supply line. 5 = Kotak udara =Air box. 6 = Pembakar = Burner 7 = Tungku =Furnace. 8= Fan Isap = Induced Draught Fan = LD.F. 9 = Cerobong asap = Stack = Chimney. 10= Air dingin bertekanan dipompa oleh pompa air pengisian ketelmasuk ke dalam ketel. 11 = Tabung pembagi air dingin = Cold water header. 12 = Pemanas air awal = Water pre-heater = Ekonomiser. 13= Tabung pengumpul air panas =Hot water header. 14 = Drum ketel = Boiler drum = Boiler vessel. 15 = Pipa-pipa terjun = Down comer's pipes. 16= Kotak-kotak seksi air = Water section boxes. 17 = Pipa-pipa penguap pancaran = Radiant evaporator's pipes, 18 = Pipa-pipa penguap konveksi = Convection evaporator's pipes. 19= Kotak-kotak seksi uap kenyang = Saturated steam section boxes 20= Pipa-pipa naik = Up-riser pipes. 21 = Tabung pengumpul uap kenyang = Saturated steam header. 22= Pipa-pipa penyalur uap. 23= Uap kenyang menuju ke Pemanas lanjut uap. 24= Pemanas lanjut uap = Steam superheater
14
Di dalam pipa-pipa penguap air inilah air diuapkan. Pipa-pipa penguap
bermuara pada kotak-kotak seksi uap kenyang (saturated steam section boxes)
yang bentuknya tepat sama simetri dengan kotak-kotak seksi air. Uap yang
terbentuk di dalam pipa-pipa penguap, akan menuju ke kotak-kotak seksi uap
kenyang. Dari sini uap tersebut akan naik melalui pipa-pipa uap naik (steam up-
riser's pipes).
Pipa-pipa uap naik bermuara di bagian atas pada sebuah pengumpul uap
kenyang (saturated steam header) yang irisannya berupa bujur sangkar, bundar atau
empat persegi panjang, dengan sisi terpendek atau jari-jari sekitar 300 - 400 mm.
Semua uap kenyang yang terbentuk dari dalam pipa-pipa penguap, kotak-kotak
seksi uap dan pipa-pipa naik (up-riser) akan terkumpul pada header uap kenyang.
Dari header uap kenyang, uap dan air dialirkan ke drum ketel melalui pipa-
pipa penyalur. Pipa-pipa penyalur disusun secara berselang-seling. Ada yang
bermuara pada drum ketel di atas permukaan air dan ada yang bermuara pada drum
ketel di bawah permukaan air yang ada di dalam drum.
Pipa-pipa penyalur yang bermuara pada drum di atas permukaan air ialah
pipa-pipa penyalur uap. Sedangkan pipa-pipa penyalur yang bermuara di bawah
permukaan air di dalam drum ialah pipa-pipa penyalur air, yang berfungsi untuk
pengaliran kembali air ke dalam drum ketel, sehingga temperatur dan tekanannya
hampir merata di seluruh ketel.
Setiap pipa air terjun akan bermuara pada sebuah kotak seksi air. Antara
sepasang kotak seksi air dan kotak seksi uap yang bentuknya sama dan simetri
tersebut terdapat beberapa pipa-pipa air penguap. Dari setiap kotak seksi uap
terdapat sebuah pipa uap naik yang menghubungkannya ke header uap kenyang.
15
Gambar 2.2. Gambar detail bagian-bagian ketel seksi
Sumber : Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, hal 219
Keterangan gambar ketel seksi :
1 = Drum ketel = Biler vessel = Boiler drum 2 = Tutup Man-hole = Tutup Lubang orang. 3 = Pipa-pipa terjun = Down-comer's pipes 4 =Kotak-kotak seksi air = Water section boxes 5 = Pipa-pipa penguap pancaran = Radiant Evaporator's pipes 6 = Pipa-pipa penguap konveksi = Convection Eva pipes 7 = Kotak-kotak seksi uap = Steam section boxes 8 = Pipa-pipa naik = Up-riser's pipes 9 = Tabung pengumpul uap kenyang = Saturated Steam Header 10 = Pipa-pipa penyalur uap. 11 = Air dingin masuk ke-Tabung pembagi air dingin 12 = Tabung pembagi air dingin = Cold water Header 13 = Pipa-pipa pemas air awal = Economiser's pipes 14 = Tabung pengumpul air panas = Hot water Header 15 = Pipa uap kenyang menuju pemanas lanjut 16 = Tabung pembagi uap kenyang = Saturated steam Header 17 = Pipa-pipa pemanas lanjut = Superheater's pipes 18 = Tabung pengumpul uap yang dipanaskan lanjut = Superheated sterna Header 19 = Uap yang dipanaskan lanjut menuju ke-pemakaian
Dengan demikian satu seksi-ketel yang merupakan satu set seksi (satu
perangkat seksi), terdiri dari sebuah pipa air terjun (down comer's pipe), sepasang
kotak seksi air dan kotak seksi uap, sejumlah pipa-pipa penguap air (evaporator's
16
pipes), dan sebuah pipa uap naik (steam up-riser pipe). Dengan demikian satu set
seksi tersebut merupakan sebuah ketel mini, yang masing-masing terpisah antara
yang satu dengan yang lain, sehingga ketel tersebut disebut ketel seksi.
Letak drum digantung pada kerangka bangunan ketel dan letak header uap
kenyang juga digantung pula pada kerangka bangunan ketel. Satu set seksi tersebut
setengahnya tergantung pada drum dengan menggunakan pipa-pipa terjun, dan
setengahnya yang lain tergantung pada header uap kenyang dengan menggunakan
pipa-pipa naik. Oleh karenanya satu set seksi tersebut akan dapat memuai dengan
bebas bila kena panas, tanpa ada pengaruhnya antara satu set seksi yang satu
dengan satu set seksi lainnya. Makin ke bawah letak pipa-pipa penguap air, makin
lebih banyak memuai, namun karena pemuaiannya sebanding atau proporsional
dengan letaknya, maka tidak akan menimbulkan kesukaran-kesukaran.
Api atau gas asap setelah memanasi pipa-pipa penguap air, akan mencapai
dan memanasi pipa-pipa pemanas lanjut uap (superheater), pemanas air awal
(ekonomiser), dan pemanas udara (air-preheater), sebelumnya meninggalkan
cerobong asap.
Gambar 2.3. Beberapa varian ketel seksi
Sumber : Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, hal 223
17
Gambar 2.4. Penempatan superheater dan economiser Sumber : Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, hal 225
2 .5.2. Ketel Yarrow
Ketel YARROW banyak digunakan di kapal-kapal laut, namun ada juga
yang dipasang di darat sebagai ketel pembangkit uap untuk pembangkitan tenaga
listrik. Pada ketel Yarrow terdapat sebuah drum utama ketel yang dipasang di atas.
Drum utama sebelah atas ini dihubungkan oleh pipa-pipa penguap dengan dua buah
drum bawah, dengan sudut kemiringan pipa-pipa penguap air lebih dari 200
Dua baris pipa-pipa penguap air yang paling bawah yang menghubungkan
drum-drum bawah dengan drum utama di atas, menerima panas dari api selain
secara konveksi juga secara pancaran. Makin ke atas pipa-pipa penguap air
tersebut, makin kurang menerima panas, sehingga baris-baris pipa sebelah atas
kurang memuai dibandingkan dengan yang ada di bagian bawah. Karena berkas
pipa-pipa penguap air di bagian atas kurang mendapatkan panas, maka air yang agak
18
dingin akan turun dari drum atas ke drum bawah melalui berkas pipa-pipa penguap
air bagian atas. Gelembung-gelembung uap banyak terbentuk pada berkasberkas
pipa penguap sebelah bawah, sehingga sirkulasinya baik sekali. Pada berkas pipa-
pipa penguap yang di tengah-tengah, sirkulasinya kurang memuaskan sehingga ketel
Yarrow ini tidak untuk tekanan yang tinggi, maksimum 80 kg/cm2
Gambar 2.5. Ketel yarrow Sumber : Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, hal 228 dan 233
Drum utama atas tergantung pada kerangka bangunan ketel, sedangkan drum-
drum bawah dapat bergeser menjauhi, dan sedikit memutar, untuk pemuaian pipa-
pipa penguap. Dengan demikian pemuaian pipa-pipa penguap menjadi lebih leluasa.
Mula-mula pada ketel Yarrow hanya digunakan pipa-pipa penguap yang lurus,
yang disambung dengan drum-drum ketel dengan cara dilindis. Karena pipa-pipa
penguap tersebut lurus, maka lubang untuk pipa-pipa tersebut diborkan ke dalam
drum dengan posisi miring. Adanya lubang-lubang pipa miring yang diborkan ke
dalam drum, maka dinding drum di tempat tersebut menjadi kurang kuat atau
19
diperlemah. Sehingga dinding drum di tempat masuknya pipa-pipa penguap
tersebut dibuat lebih tebal dibanding tempat lain yang tidak ada lubang-lubang
untuk pipa-pipa tersebut. Pipa-pipa pemanas lanjut uap (superheater's pipes)
biasanya ditempatkan di antara pipa-pipa penguap. Arah pipa-pipa pemanas
lanjut tersebut ada yang sama arah dengan arah membujurnya pipa-pipa
penguap namun ada pula yang pipa-pipa pemanas lanjutnya melintang terhadap
arah membujur pipa-pipa penguap. Ketel-ketel Yarrow dengan pipa-pipa penguap
yang lurus yang diborkan miring terhadap dinding drum, kurang disukai dewasa
ini.
Gas asap setelah melewati berkas pipa-pipa penguap dengan temperatur
yang cukup tinggi sekitar 500° - 700 oC, akan mencapai pipa-pipa ekonomiser.
Di dalam pipa-pipa ekonomiser inilah air pengisian ketel dipanasi terlebih
dahulu agar tidak membahayakan drum ketel di tempat masuknya air pengisian
tersebut.
Ketel Yarrow yang ada tungku ketelnya terbagi menjadi dua bagian
yang dibatasi oleh sebaris pipa-pipa berduri yang dilapisi dengan biji-biji Chrom
(Chrom ore). Pada setiap belahan tungku terdapat beberapa pembakar atau
burner. Pipa-pipa pemanas lanjut uap (superheater) hanya terdapat di antara
salah satu berkas pipa-pipa penguap. Dengan demikian pengaturan temperatur
uap yang dihasilkan, dilakukan dengan mengatur masing-masing burner pada
setiap belahan tungku.
Pada ketel Yarrow pipa-pipa penguap bermuara pada drum atas di bagian
dinding drum di bawah permukaan air, sehingga uap air yang terbentuk terpaksa
melalui air di dalam drum. Untuk memisahkan uap dari air diperlukan alat
20
pemisah air yang dipasang di dalam drum atas. Ketel Yarrow dibuat dengan
kapasitas antara 30 - 80 t/jam.
2.5.3. Ketel-ketel Berpipa Terjal
Ketel-ketel berpipa terjal di antaranya ialah ketel dengan tiga buah drum
dari Steinmuller-Gummersbach (Gambar.2.6). Di bagian atas terdapat dua buah
drum, sedangkan di bagian bawah hanya terdapat sebuah drum. Antara ketiga
buah drum tersebut dihubungkan dengan pipa-pipa.
Gambar 2.6. Ketel-ketel berpipa terjal Sumber : Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, hal 240
Salah satu dari drum atas, yaitu yang lokasinya kira-kira di atas drum
bawah, merupakan drum utama (main boiler drum). Antara drum bawah dan
drum atas yang bukan drum utama, dihubungkan dengan pipa-pipa penguap
yang memberituk sudut miring yang cukup terjal terhadap tungku api,
21
dengan maksud untuk menerima panas sebanyak mungkin secara pancaran
dari api di atas rangka bakar.
Baris-baris pertama dan kedua dari pipa-pipa penguap ini merupakan
berkas-berkas pipa penguap pancaran, yang menerima panas dari api di
dalam tungku di atas rangka bakar, tidak saja secara konveksi, melainkan
juga menerima panas yang terbanyak secara pancaran. Antara drum utama dan
drum bawah dihubungkan di bagian depan dari aliran konveksi gas asap,
dengan seberkas pipa-pipa penguap. Di bagian belakang di daerah aliran
konveksi gas asap, dihubungkan dengan seberkas pipa-pipa air yang
berfungsi sebagai pipa-pipa terjun atau down-comer. Dengan demikian
sirkulasi air dan uap pada ketiga buah drum tersebut menjadi lebih sempurna.
Permukaan dinding tungku, yang berhadapan dengan pipa-pipa yang
dipasang terjal di atas tungku, dilapisi dengan pipa-pipa penguap pancaran.
Bagian bawah bermuara pada sebuah tabung pembagi air (water header).
Bagian atas pipa-pipa penguap pancaran ini bermuara pada drum atas yang
bukan drum utama.
Di bagian dasar drum bawah, air yang agak dingin di sini perlu
dipompakan ke tabung pembagi air (water header) pipa-pipa penguap
bermuara, agar sirkulasi air menjadi makin sempuma di seluruh bagian ketel
uap. Di atas drum utama tersebut terdapat pula sebuah drum kecil yang
fungsinya sebagai pengumpul uap kenyang yang sudah dipisahkan dari
bintik-bintik air. Antara drum kecil yang ada di atas drum utama, dengan
drum utama, dihubungkan pipa-pipa uap. Antara kedua drum atas dihubungkan
dengan pipa-pipa, pipa yang menghubungkan bagian bawah dari drum-drum
22
atas tersebut merupakan pipa-pipa penghubung air antara kedua drum atas
tersebut. Sedangkan pipa-pipa yang menghubungkan bagian atas dari drum-
drum atas merupakan pipa-pipa penghubung uap antara kedua drum atas
tersebut.
Pipa-pipa pemanas lanjut ditempatkan tergantung di daerah aliran
pertama konveksi gas asap, setelah gas asap melewati berkas-berkas pipa-pipa
penguap yang terjal tersebut. Setelah gas asap melewati pipa-pipa terjun
(down-comer's Pipes) yang menghubungkan drum utama dengan drum
bawah, temperatur gas asap masih cukup tinggi. Gas asap dimanfaatkan untuk
memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum-drum
tersebut pada sebuah alat pemanas air awal yang disebut ekonomiser, yang
akan dibahas lebih mendalam di kemudian.
Baik pada ketel Yarrow maupun pada ketel Steinmuller-Gummersbach,
terdapat keberatan-keberatan karena banyaknya drum-drum ketel yang digunakan.
Untuk tekanan uap yang tinggi, drum-drum ketel tersebut harganya menjadi makin
mahal karena proses pembuatannya juga makin sulit. Sehingga dibuat
modifikasi dari ketel-ketel tersebut, menjadi ketel-ketel variannya dengan jumlah
drumnya menjadi berkurang.
2.5.4. Ketel-ketel Pancaran
Pipa-pipa penguap ketel pancaran ini, keseluruhannya menerima panas
secara pancaran dari api di dalam tungku, sehingga pipa-pipa penguap ketel
pancaran ini merupakan dinding tungku keseluruhannya. Dengan demikian,
dinding tungku di sebelah dalam akan dilapisi dengan pipa-pipa penguap yang
23
berdiri vertikal. Ada pun jarak antara pipa-pipa penguap tersebut (= s) dari
besarnya fraksi pendinginan yang disesuaikan dengan bahan bakar yang digunakan
di dalam tungku.
Panas yang diserahkan secara pancaran kepada pipa-pipa penguap dan
kepada pipa-pipa pemanas lanjut pancaran sekitar 40% - 70% dari seluruh jumlah
panas yang terbentuk di dalam tungku. Ketel pancaran dimaksudkan untuk
mengatasi keberatan tersebut, yaitu dengan mengusahakan agar panas yang
terbentuk di dalam tungku sebanyak-banyaknya diserap di daerah pancaran.
Dengan demikian temperatur api atau gas asap pada saat meninggalkan daerah
pancaran temperaturnya telah diturunkan sedemikian sehingga ada di bawah titik
cair abu, yang dengan demikian abu cair yang terbawa oleh api telah menjadi
padat sehingga tidak membentuk Nest forming di daerah konveksi.
Lagi pula umumnya ketel pancaran ini hanya mempunyai sebuah drum
ketel, sehingga investasinya tidak terlalu banyak dibebani oleh harga drum-
drum ketel yang mahal. Di bagian dasar tungku terdapat tabung-tabung pembagi
air atau Water Headers, tempat asal water header yang bermula dari pipa-pipa
penguap.
Drum utama ketel (main boiler-drum) dihubungkan dengan pipa-pipa terjun
yang ditempatkan di luar tungku (jadi tidak disinggung oleh api) menuju ke-water
header yang ada di dasar tungku. Air yang relatif agak dingin akan turun ke
bawah dari drum ketel melewati pipa-pipa terjun tersebut menuju ke-water
header.
Air mengalir ke atas dari water headers yang terletak di dasar tungku dan
air diuapkan melalui pipa-pipa penguap yang dipasang di sekeliling tungku.
24
Pipa-pipa penguap yang melapisi dinding tungku yang terletak di bawah drum
ketel, akan langsung bermuara di-drum ketel. Tetapi pipa-pipa penguap yang
melapisi dinding tungku yang tidak terletak di bawah drum ketel, terlebih dahulu
akan bermuara pada tabung-tabung pengumpul uap kenyang atau saturated steam
header.
Dari saturated steam headers uap dialirkan ke-drum ketel melalui pipa-pipa
khusus untuk penyalur uap kenyang yang dihasilkannya. Dengan demikian
seluruh pembentukan uap berlangsung di sekeliling dinding tungku yang terdiri dari
pipa-pipa penguap.
Pipa-pipa pemanas lanjut uap kadang-kadang ada yang ditempatkan di
daerah pancaran, yang disebut pemanas lanjut pancaran (radian superheater) yang
ada kalanya merupakan langit-langit tungku atau yang disebut superheater langit-
langit atau ceiling superheater. Ada pula pemanas lanjut yang ditempatkan di
daerah konveksi yang disebut superheater konveksi.
Di daerah konveksi, gas asap setelah digunakan untuk memanasi pemanas
lanjut konveksi atau pemanas lanjut ulang (reheater), temperaturnya masih
cukup tinggi sekitar 500 oC – 700 oC. Temperaturs tersebut dapat dimanfaatkan
untuk memanaskan air pengisian ketel terlebih dulu, di dalam sebuah alat yang
disebut pemanas air awal atau ekonomiser. Pemanasan air di dalam pemanas air
awal atau ekonomiser dilakukan hingga temperatur air mendekati temparatur
mendidihnya yaitu sekitar 50 oC hingga 75 oC di bawah temperatur mendidih air
di dalam drum ketel.
Setelah memanasi air di dalam ekonomiser, gas asap yang masih bertem-
peratur sekitar 300 oC – 500 oC tersebut sekali lagi dimanfaatkan untuk memanasi
25
udara yang digunakan untuk pembakaran, di dalam sebuah alat yang disebut
pemanas udara (Air-Preheater). Udara pembakar di dalam pemanas udara
dipanasi hingga temperatur sekitar 120 oC – 320 oC, tergantung besar-kecilnya
ketel uap.
2.6. Ekonomiser
Gas asap setelah meninggalkan superheater konveksi ataupun pemanas
lanjut ulang (Steam Reheater), temperaturnya masih cukup tinggi sekitar 500°C
hingga 800°C, sehingga akan merupakan kerugian panas yang besar bila gas asap
tersebut langsung dibuang lewat cerobong.
Gas asap yang masih panas ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi air
terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum ketel, sehingga air telah
dalam keadaan panas, sekitar 30oC sampai 50oC di bawah temperatur
mendidihnya. Air yang telah dalam keadaan panas pada saat masuk ke dalam drum
ketel membawa keuntungan karena ketika air masuk ke dalam drum, dinding
ketel tidak mengerut sehingga drum ketel dapat lebih awet dengan demikian
biaya perawatan atau biaya maintenance-nya menjadi lebih murah. Lain
halnya bila air dalam keadaan dingin masuk ke dalam drum tersebut, dinding
drum akan mengerut dan mudah pecah atau bocor, sehingga biaya perawatannya
mahal.
Keuntungan kedua ialah dengan memanfaatkan gas asap yang masih
mempunyai temperatur yang tinggi tersebut untuk memanasi air sebelum masuk ke
dalam drum ketel, berarti akan memperbesar efisiensi dari ketel uap, karena dapat
memperkecil kerugian panas yang diderita oleh ketel.
26
Keuntungan berikutnya ialah dengan air yang telah dalam keadaan panas
masuk ke dalam drum ketel tersebut, untuk menguapkannya di dalam tungku hanya
sedikit saja dibutuhkan panas, dengan demikian untuk menguapkan air di dalam
tungku hanya dibutuhkan sedikit bahan bakar, sehingga pemakaian bahan
bakarnya lebih hemat, atau dengan kata lain: biaya operasinya menjadi lebih
ekonomis.
Keuntungan keempat ialah, bila air telah dalam keadaan panas memasuki
drum ketel, maka untuk menguapkannya hanya dibutuhkan panas yang sedikit di
dalam penguap. Luas Bidang yang dipanaskan (Heating Surface) dari penguap
(Evaporator) menjadi lebih sedikit, akibatnya ukuran-ukuran tungku menjadi lebih
kecil. Hal itu menyebabkan harga tungku menjadi lebih murah atau secara
keseluruhannya harga ketel atau harga investasinya menjadi lebih murah, sekalipun
harus dipasang alat untuk memanaskan air terlebih dahulu sebelum masuk drum
ketel.
Dengan demikian dengan memasang alat untuk memanaskan air terlebih
dahulu sebelum masuk ke dalam drum ketel, yang disebut pemanas air awal (Water
pre-heater) akan didapat keuntungan-keuntungan sebagai berikut:
a. Biaya perawatan (Maintenance Cost) menjadi lebih murah.
b. Efisiensi Thermis dapat diperbesar.
c. Biaya operasi menjadi lebih hemat atau lebih ekonomis.
d. Harga investasi ketel menjadi lebih murah. Dari alasan-alasan tersebut maka alat untuk pemanas air awal sering
disebut ekonomiser. Pada ketel yang besar-besar dan modern, ekonomiser ini
sangat memegang peranan.
27
Dilihat dari arus air dan gas asap, ekonomiser dibagi:
1. Ekonomiser arus Searah
2. Ekonomiser arus Berlawanan Arah
3. Ekonomiser arus Kombinasi.
Jika dilihat dari bentuknya, ada ekonomiser yang berbentuk ular yang
disebut ekonomiser ular (serpent economizer). Ada pula pipa-pipa ekonomiser yang
diberi berusuk-rusuk dengan maksud untuk memperluas bidang persinggungan
antara gas asap dengan dinding pipa yang telah diperluas oleh rusuk-rusuk. Ada pula
untuk memperluas bidang singgung dengan gas asap dengan mengelaskan potongan-
potongan pelat baja pada pipa-pipa sehingga pipa-pipa tersebut bersayap, yang
disebut Fin and stud economiser.
Ekonomiser ular terbuat dari pipa-pipa baja, yang ditekuk-tekuk dan
menyerupai ular. Karena bidang persinggungan dengan gas asap tidak
diperluas, maka memerlukan pipa yang panjang, namun pembuatannya
mudah. Pada ekonomiser berusuk dan ekonomiser bersayap, maka luas
bidang persinggungan diperluas dengan rusuk-rusuk atau sayap-sayap,
sehingga untuk kapasitas yang sama, panjang pipa-pipanya dapat lebih
pendek dibandingkan dengan ekonomiser ular.
2.7. Pemanas Udara Atau Air-Preheater
Gas asap setelah ke luar dari memanasi ekonomiser masih bertemperatur
sekitar 400°C hingga 700°C sehingga akan rugi bila dibuang langsung lewat
cerobong, karena panas yang terkandung di dalam gas asap tersebut masih dapat
dimanfaatkan lagi untuk memanaskan udara sebelum dimasukkan ke dalam tungku,
sehingga efisiensi thermis ketel uap dapat dinaikkan lagi.
28
Memanaskan udara pembakaran sebelum dimasukkan ke dalam tungku
berarti mengurangi kebutuhan panas untuk menaikkan temperatur udara di dalam
tungku, sehingga api di dalam tungku tidak banyak mengalami penurunan
temperatur, sehingga mengurangi kemungkinan api di dalam tungku tiba-tiba
padam sendiri. Api yang tiba-tiba padam sendiri, dapat menyebabkan peledakan
tungku, bila tiba-tiba alat penyundut api dipasang/dinyalakan, karena di dalam
tungku terdapat sejumlah uap bahan bakar dan udara yang telah siap untuk terbakar.
Kelalaian operator menyalakan alat penyundut api bila api di dalam tungku
padam sendiri, dapat menyebabkan peledakan tungku yang dapat menimbulkan
kerugian besar.
Ketika api di dalam tungku padam sendiri bila tersedia Fan isap maka gas-gas
berikut campuran uap bahan bakar dan udara yang terdapat di dalam tungku diisap ke
luar dengan menggunakan Fan isap (Induced draught fan atau IDF). Bila tidak
tersedia Fan isap, gas-gas berikut campuran uap bahan bakar dan udara yang terdapat
di dalam tungku dihembus dengan menggunakan Fan Penghembus atau Fan Tekan
(Forced Draught Fan atau FDF), agar tidak tersisa lagi campuran uap bahan bakar
dan udara di dalam tungku, dan baru dapat dimulai lagi prosedur penyalaan tungku
dari awal. Dengan demikian bila api di dalam tungku padam sendiri, maka ada
sejumlah kerugian bahan bakar yang dibuang, lagi pula operasi ketel menjadi
terganggu. Hal ini tidak dikehendaki. Oleh karena itu diusahakan untuk
memanaskan udara pembakar terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam
tungku.
Manfaat lain dengan memanaskan udara pembakar terlebih dahulu sebelum
masuk ke dalam tungku, ialah udara yang telah dalam keadaan panas masuk ke
29
dalam tungku, membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung di
dalam bahan bakar (khususnya bahan bakar padat) sehingga akan mempercepat
berlangsungnya pembakaran bahan bakar di dalam tungku, yang dengan demikian
untuk kapasitas tungku yang sama, yaitu untuk jumlah bahan bakar yang dibakar
sama, tungku yang menggunakan udara panas ukuran-ukurannya menjadi lebih kecil
sehingga dapat lebih murah investasinya.
Ada tiga macam Pemanas Udara atau Air-Preheater:
a. Pemanas udara pipa
b. Pemanas udara pelat
c. Pemanas udara regenerasi atau Pemanas udara LJungstrom
Pada Pemanas udara pipa, gas asap dialirkan melalui pipa-pipa, sedangkan
udara dialirkan di sekeliling luar pipa-pipa, sehingga terjadi pertukaran panas antara
gas asap dengan udara melewati dinding-dinding pipa. Ada pula udara yang
melewati pipa-pipa sebelah dalam, sedangkan gas asap melewati sekeliling luar
pipa-pipa. Diameter luar pipa-pipa sekitar 20 mm hingga 25 mm, tergantung besar-
kecilnya pemanas udara atau besar-kecilnya ketel uap.
Pada pemanas udara pelat, udara dialirkan di antara pelat-pelat yang beganti-
ganti atau berselang-seling dengan gas asap. Sehingga pertukaran antara gas asap
dengan udara yang dipanasi melalui dinding-dinding pelat yang membatasinya.
Pada pemanas udara Regenerasi atau pemanas udara LJungstrom terdapat
elemen-elemen logam yang untuk sementara waktu ditempatkan pada aliran gas
asap, sehingga untuk sementara waktu elemen logam tersebut dipanasi oleh gas
asap, kemudian dipindahkan di daerah aliran udara untuk beberapa saat, sehingga
udara sempat mengambil panas dari elemen-elemen logam tersebut. Bila elemen
30
logam tersebut telah dingin lagi, maka elemen-elemen logam tersebut dibawa
kembali ke daerah aliran gas asap untuk dipanasi, bila telah panas dibawa kembali
ke daerah aliran udara. Demikian dilakukan terus-menerus.
Elemen-elemen logam tersebut dari pelat-pelat, yang bergelombang
untuk membuat jarak antara pelat yang satu dengan yang lain, di antara pelat-pelat
tersebut dapat dilewati oleh gas asap atau udara
2.8 Proses Pengopakan (= Proses Melayani Api = Stoke Process)
Pembakaran adalah oksidasi, yang berlangsung pada temperatur
tertentu, dengan kecepatan reaksi yang tinggi dan menghasilkan panas.
2.8.1. Pembakaran Bahan Bakar yang Berupa Gas
Pembakaran bahan bakar yang berupa gas, yang hampir keseluruhannya
terdiri dari Karbon (C) dan Hidrogen (H), mula-mula berlangsung sebagai
berikut: yang dimulai dengan menguraikan gas-gas hingga menghasilkan
komponen-komponen dari gas air (CO dan H2), bila kondisi Oksigen (OZ )
mencukupinya.
Dengan penyetelan yang tepat pengaliran udara pembakar, maka gas yang
ke luar dari Pembakar Bunsen (Bunsen Burner), akan menarik sejumlah udara
primer tertentu, yang cukup untuk penguraian gas-gas menjadi CO dan H2 (yang
biasa disebut gas air atau water gas).
Pembakaran dari gas air (water gas, CO dan H2) yang terbentuk, yang
dilakukan oleh Oksigen dari udara sekunder yang mengalir di sekeliling bunga
api, akan berlangsung pada temperatur yang tinggi, di lapisan yang tipis, yang tidak
31
bercahaya dari bunga api, yang berlangsung sangat cepat, bila oksigen yang
tersedia mencukupinya.
Jika arus udara primer tidak mencukupi atau bila pencampurannya dengan
gas-gas tidak sempurna, maka penguraian menjadi water gas (CO dan H2) akan
terganggu. Mula-mula yang terurai terlebih dahulu adalah Karbon yang berupa
partikel-partikel kecil yang melayang-layang di dalam bunga api. Bila kemudian
temperatur menjadi cukup tinggi (sekitar 800°C) dan oksigennya mencukupi,
maka penguraian menjadi water gas akan dilanjutkan, dan partikel-partikel
Karbon yang terbentuk tadi akan terbakar, mula-mula menjadi CO yang kemudian
dilanjutkan lagi menjadi C02.
Karena penguraian menjadi water gas yang terganggu tadi, maka bunga api
menjadi lebih panjang daripada yang disebutkan tadi, lagi pula partikel-partikel
Karbon yang menyala pada waktu terbakar (menjadi CO dan kemudian menjadi
C02) akan menjadikan bunga api terlihat menyala. Hal seperti ini adalah yang sangat
umum terjadi. Bila karena sesuatu hal, misalnya temperatur di luar bunga api yang
terlalu dingin, atau bila aliran udara pembakar kurang cukup, maka partikel-partikel
Karbon yang terurai tadi sebagian atau seluruhnya tidak terbakar, sehingga
masih berujud partikel-partikel Karbon yang berupa jelaga (soot) yang melayang-
layang di dalam api.
2.8.2. Pembakaran Bahan Bakar Cair
Sebelum pembakaran yang sebenarnya berlangsung, maka terlebih dahulu
bahan bakar cair tersebut diuapkan dan diuraikan menjadi gas. Bahan bakar cair
umumnya terdiri dari Karbon C dan Hidrogen H saja. Dalam hal ini, karena
kandungan Hidrogen H yang cukup tinggi, maka pada saat penguraian dengan
32
temperatur yang cukup tinggi, Karbon C dan Hidrogen H, lama masih dalam
keadaan terikat. Untuk selanjutnya, sejumlah kecil Karbon C akan terurai pada
temperatur yang kira-kira sama atau di atas temperatur reaksi, sehingga dengan
demikian pada pembakaran bahan bakar cair, dapat dicapai bentuk bunga api
yang hampir-hampir sempurna, seperti halnya pada pembakaran bahan bakar yang
berupa gas.
2.8.3. Pembakaran Bahan Bakar Padat
Bahan bakar padat yang sebagian besar terdiri dari Karbon Hidrogen dan
Oksigen. Mula-mula bahan bakar padat tersebut akan membentuk gas-gas
atau yang biasa disebut menge-gas (= ontgassing), pada waktu berlangsung
destilasi kering, dan gas-gas tersebut akan terurai lebih lanjut menjadi CO dan
H2 (= water gas) dan akan terbakar. Selanjutnya arang atau kokas yang
tertinggal (yang semuanya terdiri dari Karbon C) akan menguap atau
sublimasi terlebih dahulu, dan kemudian baru terbakar menjadi CO yang
untuk selanjutnya akan terbakar menjadi C02 bila jumlah Oksigen yang
tersedia mencukupinya.
Udara pembakar, yang diperlukan untuk "menge-gas"-kan atau
ontgassing dari Karbon C, disebut udara primair, sedangkan udara pembakar
yang digunakan untuk membakar gas-gas CO menjadi CO2 disebut udara
sekundair. Dengan demikian maka pada waktu membakar bahan bakar padat,
dapat dibagi menjadi dua periode, yaitu:
- menge-gas-kan (= ontgassing) bahan bakar padat tadi menjadi gas
gas yang bermacam-macam susunannya, dan
33
- membakar lebih lanjut gas-gas yang terbentuk tadi menjadi CO dan
yang untuk selanjutnya menjadi CO2 .
Sebelum proses pembakaran berlangsung, terlebih dahulu bahan bakar
dinaikkan temperaturnya hingga temperatur penyalaan.
34
BAB III
PERANCANGAN
Perancangan air heater pada boiler FCB tentunya menyesuaikan dengan
spesifikasi yang dimiliki oleh boiler tersebut. Air heater digunakan untuk
menaikkan suhu udara pembakaran yang dihembus oleh Spreading Air Fan dan
Swirling Air Fan Data-data yang dibutuhkan untuk perancangan air heater
sebagai berikut :
• Temperatur gas asap keluar ekonomizer / temperatur gas asap masuk air
heater
Thi =240oC
• Temperatur gas panas keluar air heater
Tho =225oC
• Laju gas asap keluar ekonomizer / laju gas asap masuk air heater
Wg = 118 ton/jam
= 32,78 kg/detik
• Temperatur udara yang akan dipanaskan
Tai = 40 oC
• Laju udara yang akan dipanaskan
Wa = 4,44 kg/detik
• Ukuran ruang yang akan digunakan untuk air heater
p = 6 m
l = 1,27 m
t = 0,5 m
35
3.1. Kenaikan suhu udara di dalam pipa-pipa pemanas udara
Di dalam terjadi perpindahan panas dari gas asap ke udara di dalam pipa-
pipa air heater. Kalor yang dilepas oleh gas panas akan sama dengan kalor yang
diserap oleh udara di dalam pipa-pipa air heater.
Kalor yang dilepas oleh gas asap ditentukan menggunakan persamaan 3-1
(Jones, J.B.,Dugan, R.E, 1996, hal 164)
)( gogigAH hhWQ −= .......................................... (3-1)
dengan, Wg : Laju aliran gas asap (kg/detik)
hgi : entalpi gas asap masuk air heater (kJ/kg)
hgo : entalpi gas asap keluar air heater (kJ/kg)
Kalor yang diserap oleh air heater ditentukan menggunakan persamaan 3-2
(Jones, J.B.,Dugan, R.E, 1996 ,hal 164)
)( aiaoaa hhWQ −= .......................................... (3-2)
dengan, Wa : Laju aliran udara di dalam air heater (kg/detik)
hai : entalpi udara masuk air heater (kJ/kg)
hao : entalpi udara keluar air heater (kJ/kg)
maka
)()( aiaoagogig hhWhhW −=− .......................................... (3-3)
dengan menggunakan persamaan 3-1 dapat dihitung dihitung jumlah kalor yang
dilepas oleh gas asap jika terjadi penurunan temperatur gas asap dari 240oC
menjadi 225oC.
)( gogigAH hhWQ −=
aAH QQ =
36
dengan, Wg = 32,78 kg/detik
hgi = h @ 240 oC (tabel 1 pada lampiran)
= 516,41 kJ/kg
hgo = h @ 225 oC (tabel 1 pada lampiran)
= 494,8 kJ/kg
maka,
= 708,33 kJ/kg
Jumlah kalor yang diserap oleh udara di dalam pipa-pipa air heater (Qa) akan
berjumlah sama dengan kalor yang dilepas oleh gas asap sesuai dengan
persamaan3-3.
QAH = Qa
QAH = Wa (hao-hai)
dengan, Wa = 4,44 kg/detik
hai = entalpi udara masuk pipa-pipa air heater
= h @ 40 oC (tabel 1 pada lampiran)
= 312,25 kJ/kg
h ao = entalpi udara keluar pipa-pipa air heater
708,33 = 4,44 (hao-312,25)
hao = 471,78 kJ/kg
Jika entalpi udara keluar diketahui maka dengan menggunakan tabel 3.1 dapat
diperoleh suhu udara keluar air heater
Tao = T @ h = 471,78 kJ/kg
Tao = 196,55 oC
( )8,49441,51678,32 −=AHQ
37
Posisi Air Heater
Spreading Air Fan
IDF
Gambar 3.1. Penempatan air heater dan Posisi Fan Boiler FCB (tampak samping) 38
Swirling air fan
Posisi air heater
Gambar 3.2. Penempatan air heater dan Fan pada Boiler FCB (tampak atas)
39
ECONOMIZER
AIR HEATER
ke Cerobong/Induced Draft Fan
GAS PANAS
UDARA
Swirling Air Fan
Spreading Air Fan
Gambar 3.3. Skema Aliran air heater
40
3.2. Perhitungan Luas Penukar Panas Air Heater
Air heater adalah salah satu jenis alat penukar kalor, maka jumlah kalor
yang dapat dipindahkan dari fluida panas ke fluida dingin sangat ditentukan oleh
luas penukar panas yang tersedia. Luas penukar panas yang dibutuhkan dan luas
penukar panas yang tersedia tentunya juga akan bervariasi sesuai dengan ukuran
pipa yang digunakan, cara penataan pipa dan jarak penataan pipa dalam arah
horizontal (Sp) maupun arah vertikal (Sn).
Gambar 3.4. Penyusunan Pipa Tabung Segaris Sumber : Holman, J.P, 1997, hal 276
Air heater akan menggunakan ukuran pipa nominal 2 inch, skedul 40 dengan data
yang diperoleh dari Tabel 3.2 sebagai berikut :
• Ukuran nominal pipa : 2 inch
• Diameter luar (Dout) : 2.375 inch
• Diameter dalam (Din) : 2,067 inch
• Tebal dinding pipa (t) : 0,133 inch
41
Pipa- pipa tersebut akan disusun sebagai pipa tabung segaris dengan :
• Sp/D = 2
• Sn/D = 1,25
• Sp = 0,06 m x 2 = 0,12meter
• Sn = 0,06 m x 1,25 = 0,075 meter
Dengan penyusunan tersebut dan ukuran ruang yang tersedia maka jumlah pipa
maksimal yang dapat digunakan yaitu
Jumlah Kolom
Jumlah Baris
Jadi jumlah pipa total (N)
N = Kolom x Baris
N = 60 pipa
Luas Penukar kalor total yang tersedia
A = N x Luas selimut per pipa
10
12,0
27,1
=
=
=
Kolom
Kolom
Sp
lKolom
6
075,0
5,0
=
=
=
Baris
Baris
Sn
tBaris
42
Dengan Luas selimut pipa Asel
Asel = π x Dout x p
Asel = 3,14 x 0,06 x 6
Asel = 1,1365 m2
maka
A = 60 x 1,1365
A = 69,10 m2
3.2.1. Perpindahan panas di luar pipa-pipa air heater
Besarnya perpindahan panas fluida yang mengalir akan dipengaruhi oleh
nilai koefisien perpindahan panas (h) yang dapat dicari dengan bilangan reynolds
dan Bilangan Nusselt.
Bilangan Reynolds dihitung dengan persamaan 3-4 (Holman, J.P., 1997, hal 277)
g
outgmaksgg
Du
µρ ..
Re = .......................................... (3-4)
dengan, Reg : Bilangan reynolds gas asap
ρg : massa jenis gas asap (kg/m3)
ug maks : Kecepatan maksimal gas asap pada air heater (m/s)
Dout : diameter luar pipa (m)
µg : Viskositas dinamik gas asap (kg/m.s)
Bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan 3-5 (Holman, J.P., 1997, hal 268)
3
1
Pr.Re. ngg CNu = .......................................... (3-5)
43
dengan, Re : Bilangan reynolds
Pr : Angka Prandtl
C : konstanta yang dapat dilihat pada tabel 4 lampiran
n : eksponen yang dapat dilihat pada tabel 4 lampiran
Koefisien perpindahan panas (Ho) dihitung dengan persamaan 3-6 (Holman, J.P.,
1997, hal 277)
k
DHNu outo
g =
maka
out
go D
kNuH = .......................................... (3-6)
Perhitungan akan menggunakan sifat-sifat gas asap pada temperatur rata-rata
.......................................... (3-7)
= 15o C = 288 K
Sifat-sifat gas asap pada temperatur rata-rata dapat dilihat pada tabel 3
ρg = 1,2339 kg/m3
µg = 1,7869 x 10-5 kg/m.s
k = 0,02529 W/m oC
Pr = 0,711
Kecepatan aliran gas panas dalam air heater dihitung dengan persamaan 3-8
ahg
gg A
Wu
ρ= .......................................... (3-8)
2
225240+=
2AHoAHi
f
TTT
+=
44
dengan, Aah = Luas penampang air heater
= p x l
= 6 x 1,270
= 7,62 m2
maka
62,7.9749,0
78,32=gu
ug = 4,413 m/s
Jadi kecepatan gas panas ketika akan memasuki air heater adalah 4,413 m/s.
Kecepatan aliran maksimal gas panas ketika melalui air heater dihitung dengan
persamaan 3-9 (Holman, J.P., 1997, hal 278)
.......................................... (3-9)
= 22,065 m/s
Maka dengan menggunakan persamaan 3-4 dapat dihitung bilangan reynolds dari
aliran gas panas
= 91913,85
Karena bilangan Reynolds ≥ 2300 maka aliran gas panas melalui air heater adalah
jenis aliran turbulen.
outgmaks DSn
Snuu
−=
06,0075,0
075,0413,4
−=
g
outmaksgg
Du
µρ ..
Re =
5107869,1
06,0065,222339,1−×××=
45
Bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan 3-5
3
1
Pr.Re. nCNu =
Nilai C dan n dapat dilihat di dalam tabel 4
Maka nilai C dan n adalah sebagai berikut :
C = 0,464
n = 0,57
Jadi
= 279,74
Maka besarnya koefisien perpindahan panas konveksi gas panas dapat dihitung
dapat dihitung dengan persamaan 3-6
= 117,28 W/m2 oC
3.2.2. Perpindahan panas di dalam pipa-pipa air heater
Besarnya perpindahan panas pada udara yang mengalir di dalam pipa-pipa
air heater akan dipengaruhi oleh nilai koefisien perpindahan panas (Hi) yang
dapat dicari dengan bilangan reynolds dan Bilangan Nusselt.
3/157,0 711,085,91913464,0 ××=gNu
outgo D
kNuH =
06,0
02529,084,279=
46
Bilangan Reynolds dihitung dengan persamaan 3-10 (Holman, J.P., 1997, hal 277
.......................................... (3-10)
dengan, Rea : Bilangan reynolds udara
ρa : massa jenis udara yang dipanaskan (kg/m3)
ua : Kecepatan aliran udara di dalam air heater (m/s)
Din : diameter dalam pipa (m)
µa : Viskositas dinamik udara yang dipanaskan (kg/m.s)
Koefisien perpindahan panas udara yang dipanaskan (Hi) dihitung dengan
persamaan 3-11 ((Holman, J.P., 1997, hal 277)
k
DHNu ini
a =
maka
in
ai D
kNuH = .......................................... (3-11)
Perhitungan akan menggunakan sifat-sifat udara pada temperatur rata-rata
.......................................... (3-12)
= 117,775 oC = 390 76 K
Sifat-sifat udara pada temperatur rata-rata dilihat dari tabel 3
ρa = 0,998kg/m3
µa = 2.075 x 10-5 kg/m.s
k = 0.03003 W/m oC
Pr = 0,697
2
55,19640+=
2oaia
f
TTT
+=
47
Kecepatan aliran udara dalam air heater dihitung dengan persamaan 3-13
NA
Wu
pipaa
aa ρ
= . ......................................... (3-13)
dengan, Apipa = Luas penampang pipa
= 0,25 π Din2
= 0,25 x 3,14 x 0,0532
= 2,16 x 10-3 m2
maka
601016,2.998,0
44,43 ××
= −au
ua = 34,27 m/s
Jadi kecepatan udara yang akan dipanaskan ketika akan memasuki air heater
adalah 34,27 m/s.
Maka dengan menggunakan persamaan 3-10 dapat dihitung bilangan reynolds
dari aliran udara
= 86530,61
Karena bilangan Reynolds ≥ 2300 maka aliran udara melalui air heater adalah
jenis aliran turbulen.
a
inaa
a
Du
µρ ..
Re =
510075,2
052,027,34998,0−×
××=
48
Bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan 3-5
3
1
Pr.Re. naa CNu =
Nilai C dan n dapat dilihat di dalam tabel 4
Maka nilai C dan n adalah sebagai berikut :
C = 0,464
n = 0,57
Jadi
= 268,72
Maka besarnya koefisien perpindahan panas konveksi udara dapat dihitung dapat
dihitung dengan persamaan 3-11
= 153,59 W/m2 oC
Perpindahan panas menyeluruh dihitung dengan persamaan 3-14 (Holman, J.P.,
1997, hal 482)
o
ioout
iin
out
Hk
rrD
HD
DU
18
)/ln(1
12
++= ......................................... (3-14)
3/157,0 711,061,30,865464,0 ××=aNu
inai D
kNuH =
052,0
03003,052,268=
49
Dengan,
H = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh
Dout = Diameter luar pipa (m)
Din = Diameter dalam pipa (m)
ri = Jari –jari dalam pipa (m)
rout = Jari-jari luar pipa (m)
Hi = Koefisien perpindahan panas konveksi udara (W/m2 oC)
Ho = Koefisien perpindahan panas konveksi gas panas (W/m2 oC)
k = konduktivitas termal bahan
= konduktivitas termal baja
= 43 W/m2 oC
Maka
28,117
1
438
)026,0/03,0ln(06,0
59,153
1
052,0
06,0
12
+×
×+=U
U = 111,36 W/m2 oC
U = 0,111 Kj/s m2 oC
Luas permukaan penukar panas yang diperlukan dihitung dengan persamaan 3-15
(Holman, J.P., 1997, hal 481)
UTF
QA
m
AH
∆= .......................................... (3-15)
Dengan nilai temperatur rata-rata (∆Tm) yang dihitung seakan-akan penurunan
kalor yang terjadi adalah pipa-ganda lawan-arah yang dihitung dengan persamaan
3-16 (Holman, J.P., 1997, hal 497)
50
[ ])/()(ln
)()(
aigoaogi
aigoaogim TTTT
TTTTT
−−−−−
=∆ .......................................... (3-16)
[ ])40252/()196,55402(ln)40252()196,55402(
−−−−−=∆ mT
∆Tm = 97,705 oC
Air heater adalah penukar kalor dengan fluida tak campur (udara) dan fluida
campur ( gas panas) , sehingga
T 1 = 240 T2 = 225 t1 = 40 t2 = 196,55
Maka dapat dihitung nilai R dan P untuk menentukan faktor koreksi F
Karena harga R yaitu 0,096 atau terlalu kecil maka besar nilai faktor koreksi F
diambil 1,0
Maka luas permukaan kalor yang diperlukan yaitu
111,0705,971
33,708
××=A
A = 65,11 m2
Dari perhitungan di atas maka dapat disimpulkan bahwa perpindahan panas yang
diinginkan hanya membutuhkan luas penukar kalor sebanyak 65,11 m2. Maka
penggunaan pipa 2 inch skedul 40 dengan dengan jumlah luas penukar kalor yang
tersedia yaitu sebesar 69,10 m2 sudah mencukupi. Dengan penggunaan luas
penukar kalor yang lebih besar maka suhu gas panas maupun udara keluar air
096,0
4055,196
22524012
21
=−
−=
−−=
R
R
tt
TTR
782,040240
4055,19611
12
=−
−=
−−=
P
P
tT
ttP
51
heater akan berubah. Maka dari itu akan dilakukan perhitungan ulang untuk
menghitung suhu keluar gas panas dan udara keluar air heater.
Jumlah kalor yang akan dipindahkan dihitung dengan persamaan 3-15
UTAQ
UT
QA
mactAH
m
AHact
..∆=∆
=
Maka
111,0705,9710,691 ×××=AHQ
QAH = 751,81 kj/detik
Jika jumlah kalor yang dilepas oleh gas panas dan diterima oleh udara sudah
diketahui maka suhu gas panas dan udara keluar dari air heater dapat dihitung
dengan persamaan 3-1 dan 3-2
Suhu gas panas keluar air heater dihitung dengan persamaan 3-1
(hgi - hgo) = 22,93 kj/kg
dengan, hgi = h @ 240 oC (lihat tabel 1 pada lampiran)
hgi = 516,41 kj/kg
78,32
81,751)(
)(
)(
=−
=−
−=
gogi
g
AHgogi
gogigAH
hh
W
Qhh
hhWQ
52
maka
hgo = hgi – 22,93
hgo = 493,48 kj/kg
Suhu gas panas keluar air heater
Tho = T @ 493,48 kj/kg (lihat tabel 1 pada lampiran)
Tho = 497,16 K
Tho = 224,16 oC
Suhu gas panas keluar dari air heater sudah mendekati dengan suhu yang
diinginkan yaitu 225 oC, bahkan suhu yang dicapai dapat lebih rendah.
Suhu udara keluar dari air heater dihitung dengan persamaan 3-2
(hao – hai ) = 169,33 kj/kg
Dengan, hai = h @ 40 oC (lihat tabel 1 pada lampiran)
hai = 312,25 kj/kg
maka,
hao = 169,33 + 312,25
hao = 481,58 kj/kg
Suhu udara keluar air heater
Tao = T @ 481,58 kj/kg (lihat tabel 1 pada lampiran)
Tao = 484,83 K
Tao = 211,83 oC
44,4
81,751)(
)(
)(
=−
=−
−=
aiao
a
AHaiao
aiaoaAH
hh
W
Qhh
hhWQ
53
Dari perhitungan di atas dapat disimpulkan bahwa penggunaan pipa 2 inch skedul
40 yang disusun pipa tabung baris segaris dengan nilai Sn/D = 1,25 dan Sp/D = 2
karena suhu yang penurunan suhu gas panas yang ingin dicapai yaitu 225 oC dapat
terpenuhi.
3.2.3. Pemuaian Pipa
Perubahan temperatur pada pipa ketika pemasangan dan operasional air heater
tentunya akan dapat menyebabkan pemuaian volume pipa. Pemuaian pipa
dihitung dengan persamaan 3- 17. (H. Van Laek, Lawrence., 1991)
TV
VL ∆=∆ α3 ……………………(3-17)
Dengan, ∆V = pertambahan volume pipa (m3)
V = volume awal pipa (m3)
= π l (Dout – Din)
= 3,14 x 6 (0,06 – 0,052)
= 0,151 m3
αL = koefisien muai pipa (per oC) (tabel 5 pada lampiran)
= 11,7 x 10-6 per oC
∆T = Pertambahan suhu pipa
= Tgi - Tai
= 240 – 40 = 200oC
Maka pertambahan volume pipa
∆V = V.3αL.∆T
= 0,151 x 3(11,7 x 10-6).200
= 1,06 x 10-3 m3
54
3.3. Perhitungan Fan
Penambahan air heater pada boiler akan menyebabkan penurunan tekanan (drop
pressure) pada aliran gas panas maupun udara. Penurunan tekanan jika tidak
ditanggulangi maka akan menyebabkan penurunan kecepatan aliran sehingga
koefisien perpindahan panas akan menurun dan perpindahan panas pada air
heater tidak maksimal. Maka dari itu penurunan tekanan ditanggulangi dengan
penggunaan fan.
Boiler FCB dilengkapi dengan jenis 5 fan yaitu :
1. Forced Draft Fan Pembakaran Ampas
2. Forced Draft Fan Pembakaran Minyak
3. Swirling Air Fan
4. Spreading Air Fan
5. Induced Draft Fan
Spesifikasi dari fan-fan tersebut digunakan untuk memenuhi kebutuhan
udara pembakaran dan mengatasi penurunan tekanan pada boiler sebelum
penambahan air heater. Penambahan air heater pada boiler akan menyebabkan
adanya tambahan hambatan di dalam boiler sehingga penurunan tekanan pada
boiler semakin besar. Namun air heater yang dirancang hanya untuk menaikkan
suhu udara yang akan dihembus oleh swirling air fan dan spreading air fan. Maka
dari itu akan dilakukan perhitungan daya Induced Draft Fan, Spreading Air Fan
dan Swirling Air Fan yang dibutuhkan setelah penambahan air heater.
55
3.3.1. Induced Draft Fan
Spesifikasi IDF pada boiler FCB ditampilkan pada Tabel 3.1. Spesifikasi
tersebut adalah spesifikasi fan untuk mengatasi penurunan tekanan gas panas
sebelum adanya penambahan air heater. Kapasitas fan harus dinaikkan sebesar
20% - 40% untuk menanggulangi adanya kebocoran gas pada saluran. Pada tabel
3.1. dapat dilihat kapasitas fan sebesar 146 ton/jam dianggap sudah dinaikkan
karena jumlah gas panas yaitu 118 ton/jam.
Tabel 3.1. Data Teknis Induced Draft Fan
Nama Peralatan Detail Teknis
Kipas Tarikan Paksa IDF
- Aliran Massa
- Tenaga Tarikan
- Tenaga negatif statis
- Berat Jenis udara
146 T/j
216 kW
2050 Pa
0,645 Kg/m3
Kapasitas fan (Waf) dihitung dengan persamaan 3-18.(Wakil, M. M. El, 1992, hal.
99)
paf
PWW
ηρ.
.∆= .......................................... (3-18)
Dengan, Waf = Daya fan (Watt)
W = Laju aliran massa (kg/detik)
∆P = Penurunan tekanan (Pa)
ρ = massa jenis (kg/m3)
ηp = efisiensi mekanis, diambil 0,7
56
Penurunan Tekanan Gas Panas
Penambahan air heater pada saluran gas panas tentunya menambah hambatan
aliran gas panas menuju ke cerobong. Maka dari itu akan terjadi penurunan
tekanan pada gas panas di dalam boiler akibat air heater. Penurunan tekanan pada
gas panas dihitung dengan persamaan 3-19 (Babcock & Wilcox. hal 14-4)
2
35 101073,1
46030)(
+
=∆ G
x
t
BfNFp d .......................................... (3-19)
dengan, ∆p = Penurunan tekanan aliran di luar pipa (Pa)
f = Faktor gesekan (Gambar 1 pada lampiran)
N = Jumlah baris
Fd = Depth Faktor(Lihat Gambar 2 pada lampiran)
B = Tekanan Udara Luar
= 30 in. at sea level
t = Suhu efektif (oF)
Wg = Laju gas panas (lb/hour)
Aah = Luas Penampang air heater (sq ft)
Suhu efektif untuk gas panas dihitung dengan persamaan 3-20 (Babcock &
Wilcox. Steam Generation and Use. hal 14-4)
( )
2
95,0 hohi TTt
+= .......................................... (3-20)
( )
2
488,43546495,0 +=t
t = 427,26 oF
Maka Penurunan tekanan
( ) 2
35 10
024,82/260146
1073,1
46026,427
30
30)01,160367,0(
+
××=∆x
p
∆P = 0,1 in of water
∆Pair heater = 24,897 Pa
57
Pada tabel sudah diketahui bahwa penurunan tekanan (∆P) sebelum penambahan
air heater yaitu sebesar 2050 Pa, maka penurunan tekanan setelah penambahan
air heater yaitu
∆Ptotal = ∆P + ∆Pgah
= 2050 + 24,897
= 2074,897 Pa
Maka daya IDF setelah penambahan air heater dihitung dengan persamaan 3-19
Waf = 186350,11 W
Waf = 186,35 kW
Daya fan yang dibutuhkan yaitu 186,35 kW dan IDF yang tersedia memiliki
tenaga tarikan sebesar 216 kW maka fan yang tersedia sudah mencukupi
3.3.2. Swirling air fan dan Spreading air fan
Perhitungan daya untuk kedua kipas tersebut dihitung secara bersamaan karena
kedua kipas tersebut akan mengambil udara yang telah dipanaskan di dalam air
heater. Spesifikasi Swirling air fan dan Spreading air fan yang telah tersedia
dapat dilihat pada tabel 3.2
7,0645,0
897,207455,40
.
.
××=
∆=
af
pgaspanas
totalaf
W
PWW
ηρ
58
Tabel 3.2. Data Teknis Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan
Nama Peralatan Detail teknis
Spreading Air Fan
- Aliran massa
- Tenaga negatif statis
- Berat jenis udara
7,1 T/j
3500 Pa
1,1 kg/m3
Swirling Air Fan
- Aliran massa
- Tenaga negatif statis
- Berat jenis udara
8,9 T/j
5000 Pa
1,1 kg/m3
Di dalam perhitungan aliran massa dan tenaga negatif statis yang digunakan
adalah total dari kedua fan tersebut.
Laju aliran massa (Wa)
Wa = Wspreading + Wswirling
= 7,1 + 8,9
= 16 T/j
Tenaga Negatif Statis (∆P)
∆P = ∆Pspreading + ∆Pswirling
= 3500 + 5000
= 8500 Pa
Daya fan yang dibutuhkan setelah penambahan air heater dihitung menggunakan
persamaan 3-21 (Wakil, M. M. El, 1992, hal. 99)
paf
PWW
ηρ.
.∆= ....................................... (3-21)
Dengan, Waf = daya fan (W)
59
W = Laju aliran massa (kg/detik)
= Wa
∆P = Penurunan tekanan (Pa)
= ∆Ptotal
= ∆Pawal + ∆Paah
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
η = Efisiensi mekanis (diambil 0,7)
Penurunan Tekanan Udara
Penurunan Tekanan Pada Pipa Lurus
Penurunan tekanan pada pipa lurus dihitung dengan persamaan 3-22 (Babcock &
Wilcox. Steam Generation and Use. hal 14-5)
14400
10
/(
3
)2(460
321
++
=∆
AWtt
d
Lf
P
a
if .......................................... (3-22)
Dengan, f = Friction Factor (lihat Gambar 4 pada lampiran)
L = Panjang Pipa (ft)
Di = Diameter Dalam Pipa (in)
t1 = Suhu udara input (oF)
t2 = Suhu udara output (oF)
Wa = Laju udara (lb/hour)
Apipa = Luas Penampang Pipa (sq ft)
Pada perhitungan dianggap pipa yang digunakan yaitu pipa baru sehingga
kekasaran relatif pipa yaitu 0,000001 dan nilai f ditentukan dengan grafik yang
dapat dilihat pada Gambar 3 pada lampiran.
60
( )( )( )14400
54,18919,77053,9)017,0(14400
10
12328,0/72,35244(
3
))29,4132(104(460
067,2
69,19017,0
2
3
=∆
×++
=∆
f
f
P
P
∆Pf = 1,64 in H2O
∆Pf = 408,32 Pa
Penurunan tekanan pada saat udara masuk dan keluar air heater dihitung dengan
persamaan 3-23 (Babcock & Wilcox. hal 14-5)
173000
10
/
3
)2(4605,1
2
321
++
=∆
pipaa
e
AWtt
P ……………………(3-23)
173000
)54,189)(19,770)(5,1(173000
10
12328,0/72,35244
3
)29,4132(104(4605,1
2
3
=∆
×++=∆
e
e
P
P
∆Pe = 1,265 in H2O
∆Pe = 314,96 Pa
Jadi total penurunan tekanan udara pada air heater yaitu
∆Paah = ∆Pf + ∆Pe
∆Paah = 408,32 + 316,96
∆Paah = 725,28 Pa
61
Penurunan tekanan pada boiler setelah penambahan air heater yaitu
∆Ptot = ∆Pawal + ∆Paah
∆Ptot = 8500 + 725,28 Pa
∆Ptot = 9225,28 Pa
Setelah diketahui penurunan tekanan yang terjadi maka daya fan dapat dihitung
dengan persamaan 3-19
7,0.1,1
28,9225.44,4=afW
Waf =53195,121 W
Waf = 53,195 kW
Jadi Daya fan yang dibutuhkan setelah penambahan air heater yaitu sebesar
53,195 kW.
62
BAB IV
KESIMPULAN
Dari perhitungan di dalam perancangan pemanas udara maka dapat
disimpulkan Spesifikasi Umum pemanas udara sebagai berikut :
• Temperatur gas asap masuk pemanas udara
Thi = 240 oC
• Temperatur gas asap keluar pemanas udara
Tho = 224,16 oC
• Temperatur udara masuk pemanas udara
Tai = 40 oC
• Temperatur udara keluar pemanas udara
Tao = 211,83 oC
• Ukuran pemanas udara
p = 6 meter
l = 1,27 meter
t = 0,5 meter
• Ukuran Pipa
Ukuran Nominal pipa = 2 inch
Skedul no = 40
Diameter luar (Dout) = 2,375 inch
Diameter dalam (Din) = 2,067 inch
Tebal dinding = 0,133 inch
• Pipa disusun sebagai pipa tabung segaris dengan
63
Sp/D = 2
Sn/D = 1,25
Sp = 0,12 meter
Sn = 0,075 meter
• Luas penukar kalor yang digunakan
A = 69,10 m2
• Jumlah pipa yang digunakan
N = 60 buah
• Pertambahan volume pipa setelah pemanasan
∆V = 1,06 x 10-3 m3
• Daya Induced Draft Fan
Waf = 186,35 kW
• Daya total Swirling dan Spreading Air Fan
Waf = 53,195 kW
64
DAFTAR PUSTAKA
Babcock dan Wilcox, Steam its Generation and Use.
Chengel, A Yunus dan Boles, A Michael., 1998, Engineering Thermodynamics
An Engineering Approach., Mc Graw Hill
Holman, J.P., 1997, Perpindahan Kalor, Jakarta : Penerbit Erlangga
Ir. Djokosetyardjo, M.J., 2006, Ketel Uap, Jakarta : Pradnya Paramita
Jones, J.B., dan Dugan, R.E., 1996, Engineering Thermodynamics, USA :
Prentice Hall
Popov, E.P.,1991., Mekanika Teknik., Jakarta : Erlangga
Wakil, M. M. El., 1992, Instalasi Pembangkit Daya, Jakarta : Erlangga
65
LAMPIRAN
Tabel 1. Properties of Air
Sumber : Cengel, Yunus, 1998, hal 788
T
Kelvin
h
Kj/kg
T
Kelvin
h
Kj/kg
300 300.19 530 533.96
305 305.22 540 544.35
310 310.24 550 554.74
315 315.27 560 565.17
320 320.29 570 575.59
325 325.31 580 586.04
330 330.34 590 596.52
340 340.42 600 607.02
350 350.49 610 617.53
360 350.58 620 628.07
370 370.67 630 638.63
380 380.77 640 649.22
390 390.88 650 659.81
400 400.98 660 670.47
410 411.12 670 681.14
420 421.26 680 691.82
430 431.43 690 702.52
440 441.61 700 713.27
450 451.8 710 724.04
460 462.02 720 734.32
470 472.24 730 745.62
480 482.49 740 756.44
490 492.74 750 767.29
500 503.02 760 778.18
510 513.32 780 800.03
520 523.63 800 821.95
Tabel 2. Dimensi Pipa Baja
Ukuran Nominal
Pipa in
Diameter Luar
in
Skedul no
Tebal Dinding
Diameter Dalam
1/8
¼
3/8
½
¾ 1
1,5 2 3 4 5 6
10
0,405
0,540
0,675
0,840
1,050
1,315
1,900
2,375
3,500
4,500
5,563
6,625
10,75
40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 40 80 160 40 80 40 80 40 80 40 80 120 160 40 80 40 80
0,068 0,095 0,088 0,119 0,091 0,126 0,109 1,147 0,113 0,154 0,133 0,179 0,145 0,200 0,281 0,154 0,218 0,216 0,300 0,237 0,337 0,258 0,375 0,500 0,625 0,280 0,432 0,365 0,500
0,269 0,215 0,364 0,302 0,493 0,423 0,622 0,546 0,824 0,742 1,049 0,957 1,610 1,500 1,338 2,067 1,939 3,068 2,900 4,026 3,826 5,047 4,813 4,563 4,313 6,065 5,761 10,020 9,750
Sumber : Holman, J.P., 1997, hal 596
Tabel 3. Sifat-sifat udara pada Tekanan Atmosfer
T Kelvin
ρ kg/m3
cp
kJ/kg.oC
µ kg/m.s x 105
v m2/s x 106
k W/m.oC
α m2/s x 104
Pr
100 3.601 1.0266 1 0.6924 1.923 0.009246 0.02501 0.77 150 2.3675 1.0099 1.0283 4.343 0.013735 0,05745 0.753 200 1.7684 1.0061 1.3289 7.49 0.01809 0.10165 0.739 250 1.4128 1.0053 1.599 11.31 0.02227 0.15675 0.732 300 1.1774 1.0057 1.8462 15.69 0.026244 0.2216 0.708 350 0.998 1.009 2.075 20.76 0.03003 0.2983 0.697 400 0.8826 1.014 2.286 25.9 0.03365 0.376 0.689 450 0.7833 1.0207 2.484 31.71 0.03707 0.4222 0.683 500 0.7048 1.0295 2.671 37.9 0.04038 0.5564 0.68 550 0.6423 1.0392 2.848 44.34 0.0436 0.6532 0.68 600 0.5879 1.0551 3.018 51.34 0.04659 0.7512 0.68 650 0.543 1.0635 3.177 58.51 0.04953 0.8578 0.682 700 0.503 1.0752 3.332 66.25 0.0523 0.9672 0.684 750 0.4709 1.0856 3.481 73.91 0.05509 1.0774 0.686 800 0.4405 1.0978 3.625 82.29 0.05779 1.1951 0.689 850 0.4149 1.1095 3.765 90.75 0.06028 1.3097 0.692 900 0.3925 1.1212 3.899 99.3 0.06279 1.4271 0.696 950 0.3716 1.1321 4.023 108.2 0.06525 1.551 0.699 1000 0.3524 1.1417 4.152 117.8 0.06752 1.6779 0.702 1100 0.3204 1.16 4.44 138.6 0.0732 1.969 0.704 1200 0.2947 1.179 4.69 159.1 0.0782 2.251 0.707 1300 0.2707 1.197 4.93 182.1 0.0837 2.583 0.705 1400 0.2515 1.214 5.17 205.5 0.0891 2.92 0.705 1500 0.2355 1.23 5.4 229.1 0.0946 3.262 0.705 1600 0.2211 1.248 5.63 254.5 0.1 3.609 0.705 1700 0.2082 1.267 5.85 280.5 0.105 3.977 0.705 1800 0.197 1.287 6.07 308.1 0.111 4.379 0.704 1900 0.1858 1.309 6.29 338.5 0.117 4.811 0.704 2000 0.1762 1.338 6.5 369 0.124 5.26 0.702 2100 0.1682 1.372 6.72 399.6 0.131 5.715 0.7 2200 0.1602 1.419 6.93 432.6 0.139 6.12 0.707 2300 0.1538 1.482 7.14 464 0.149 6.54 0.71 2400 0.1458 1.574 7.35 504 0.161 7.02 0.718 2500 0.1394 1.688 7.57 543.5 0.175 7.441 0.73
Sumber : Holman, J.P., 1997, hal 589
Tabel 4. Nilai C dan n
sp/d sn/d C n
1.25 1.25 0.386 0.592
1.5 1.25 0.407 0.586
2 1.25 0.464 0.57
3 1.25 0.322 0.601
1.25 2 0.111 0.704
1.5 2 0.112 0.702
2 2 0.254 0.632
3 2 0.415 0.581
1.25 3 0.0703 0.752
1.5 3 0.0753 0.744
2 3 0.22 0.648
3 3 0.317 0.608
Sumber : Holman, J.P., 1997, hal 275
Tabel 5. Sifat-sifat fisis tertentu dan tegangan iji untuk beberapa bahan teknik Sumber : Popov, E.P., 1991, hal. 618.
Gambar 1. Grafik Friction Factor Sumber : Babcock & Wilcox. hal 14-5
Gambar 2. Grafik Depth Factor Sumber : Babcock & Wilcox. hal 14-5
Sp/d = 2,0
0
0.2
0.4
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Re
f
Sn/D = 3,0 Sn/D = 2,0 Sn/D = 1,25
Gambar 3. Friction Factor (f) Sumber : Babcock & Wilcox. hal 3-5