PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA...

87
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

Transcript of PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA...

Page 1: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 2: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 3: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 4: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

iii

Page 5: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

iv

Page 6: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 7: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 8: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 9: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 10: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 11: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 12: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 13: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 14: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 15: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 16: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 17: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 18: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

Gambar 1.1. Boiler FCB tampak samping 5

Page 19: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

Gambar 1.2. Boiler FCB tampak atas

6

Page 20: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 21: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 22: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 23: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 24: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 25: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

• 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

Page 26: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 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

Page 27: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 28: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 29: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 30: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 31: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 32: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 33: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 34: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 35: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 36: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 37: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 38: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 39: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 40: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 41: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 42: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 43: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 44: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 45: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 46: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 47: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

- 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

Page 48: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 49: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 50: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 51: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

Posisi Air Heater

Spreading Air Fan

IDF

Gambar 3.1. Penempatan air heater dan Posisi Fan Boiler FCB (tampak samping) 38

Page 52: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

Swirling air fan

Posisi air heater

Gambar 3.2. Penempatan air heater dan Fan pada Boiler FCB (tampak atas)

39

Page 53: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 54: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 55: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 56: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 57: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 58: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 59: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 60: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 61: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 62: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 63: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 64: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

[ ])/()(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

Page 65: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 66: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 67: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 68: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 69: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 70: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 71: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 72: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 73: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 74: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

( )( )( )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

Page 75: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 76: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 77: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 78: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 79: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

LAMPIRAN

Page 80: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 81: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 82: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 83: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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.

Page 84: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

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

Page 85: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12

Gambar 3. Friction Factor (f) Sumber : Babcock & Wilcox. hal 3-5

Page 86: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12
Page 87: PERANCANGAN PEMANAS UDARA PADA BOILER PIPA PIPA …repository.usd.ac.id/29421/2/035214010_Full[1].pdf · Jenis-jenis Ketel Uap 10 2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan desain Biasa 12