KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa Atas berkat dan karunia yang diberikanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan yang berjudul “OPTIMASI ENERGI” ini. Laporan yang berjudul optimasi energi ini berisikan bagaimana cara melakukan praktikum dan bagaimana cara menganalisa boiler. Laporan ini bisa juga sebagai acuan dalam pengambilan data karena di dalam laporan ini disertai data dari praktikum boiler tersebut. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Dosen yang membimbing penulis dalam pengambilan data yaitu Bapak Rufinus Nainggolan. Penulis juga tidak lupa kepada teman - teman yang membantu penulis dalam melakukan praktikum dan dalam menganalisa data. Penulis menyadari bahwa tak ada gading yang tak pernah retak, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan laporan ini.
Medan,
Juni 2013
Penulis
BAB I
1
PENDAHULUAN
A. Topik
: Optimasi Boiler
B. Tujuan
Adapun tujuan yang hendak dicapai dari pelaksanaan percobaan ini adalah sebagai berikut : 1.
Praktikan dapat mengetahui fungsi suatu boiler dan prinsip kerjanya ;
2.
Praktikan dapat dapat mengoperasikan mengoperasikan boiler ;
3.
Praktikan dapat mengenal bagian-bagian mekanikal, elektrikal dan instrumental dari boiler ;
4.
Praktikan dapat mengetahui urutan/prosedur pelaksanaan percobaan ;
5.
Praktikan dapat membuat daftar simbol setiap parameter dan satuan-satuannya ;
6.
Praktikan dapat mengetahui cara membaca alat ukur boiler ;
7.
Praktikan dapat mengukur dan mengetahui kebutuhan bahan bakar boiler ;
8.
Praktikan dapat mengukur laju air pengisian dan menghitung kapasitas produksi uap;
9.
Praktikan dapat mengukur tekanan dan temperatur ;
10. Praktikan dapat menghitung efisiensi boiler ; 11. Praktikan dapat membuat laporan pengujian optimasi boiler.
BAB II
2
DASAR TEORI
A. Defenisi da Fungsi Boiler ( Ketel Uap )
Boiler atau ketel uap atau Steam Generator adalah suatu alat konversi energi yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi panas hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi potensial uap yang dapat digunakan untuk berbagi keperluan. Hal ini terjadi dikarenakan adanya perpindahan panas dari bahan bakar dan air yang terjadi di dalam tabung yang tertutup rapat. Fungsi ketel uap (Boiler) adalah untuk mengkonversikan energi pembakaran bahan bakar menjadi energi potansial uap. Steam yang dihasilkan dari ketel ini dapat digunakan untuk berbagai keperluan sebagai berikut : 1.
Untuk external combustion engine Contoh : untuk mesin uap reciprocating dan turbin air
2.
Untuk keperluan proses di dalam boiler Contoh : untuk steam injeksi pada kolom fraksinasi
3.
Untuk pemanas Contoh : untuk pemanas produk minyak dalam penyimpanan
B. Bagian Utama Ketel Uap
Bagian-bagian utama yang terdapat daripada sebuah ketel antara lain : 1. Dapur/Ruang Bakar
3
Bagian ketel yang sangat penting untuk menimbulkan panas adalah dapur (furnance). Disini terjadi proses perubahan energi kimia bahan bakar menjadi energi panas. Untuk proses pembakaran ini membutuhkan udara dan bahan bakar yang pencampurannya langsung dalam bahan bakar.
2. Drum Uap Uap yang dihasilkan mempunyai tekanan yang sangat tinggi, maka bagian yang penting adalah bejana-bejana yang mempunyai kekuatan terhadap tekanan tinggi, yang umumnya bagian ini disebut drum ketel. Bagian-bagian ketel yang ada di dalam drum ketel itu sendiri juga ikut menentukan kelancaran operasi dan performansinya, seperti susunan pipa, superheater, heater, kotak lumpur, ekonomizer dan lain sebagainya. Peralatan pengaman dan penunjang selalu diikutsertakan untuk dipasang pada sebuah ketel dengan maksud agar ketel dapat bekerja dengan aman dan sesuai dengan operasi yang dikehendaki. Bahkan peralatan yang terpisah dari ketel ini sendiri seperti peralatan pemurnian air umpan ketel juga sangat diperlukan dan besar sekali pengaruhnya terhadap kerja ketel. 3. Feed Water Tank Feed water tank berfungsi sebagai penampungan air yang berasal dari water, yang selanjutnya disiapkan untuk air umpan ketel. 4. Pompa Air Pengisian Boiler Pompa air pengisian boiler berfungsi memompakan air dari feed water tank ke ekonomizer yang selanjutnya masuk ke ketel uap. Pompa ini digerakkan oleh uap yang dihasilkan dari ketel uap. 5. Pipa-pipa Api Ini berfungsi sebagai tempat saluran gas asap dan dipasang di dalam drum ketel. Pipa-pipa ini merupakan permukaan perpindahan panas yang utama, dimana perpindahan panas ini menyebabkan pembentukan uap di dalam drum ketel. 6. Cerobong Asap Cerobong asap berfungsi sebagai saluran untuk membuang gas asap/sirkulasi udara (air circulation) pada boiler (b0iler draft), ini juga berfungsi untuk menjaga polusi udara, karena gas mengambang di dekat permukaan tanah tempat instalasi dan pemukiman. 7. Manometer 4
Manometer dapat digunakan untuk mengetahui besar tekanan uap yang berada dala ketel.
C. Klarifikasi Ketel Uap
1.
Menurut Isi Pipa atau Tabung Menurut isi pipa, pada dasarnya ketel uap dibagi menjadi: a.
Ketel Pipa Api
Ketel uap pipa api merupakan gas panas dilewatkan melalui pipa yang disekitar dinding luarnya dikelilingi oleh air atau uap yang telah terbentuk. Agar perpindahan panas dari api atau gas panas ke air lebih efektif maka susunan pipa di dalam ketel ini dapat dibuat pass per pass, yang artinya gas panas yang melewati pipa-pipa dalam ketel arahnya dapat bolak-balik terhadap burnernya.
Gambar 1. Ketel Pipa Api
Untuk sebuah ketel satu pass yang mempunyai kapasitas dan kondisi uap yang sama dengan ketel dua atau tiga pass, maka untuk ketel satu pass mempunyai panjang yang lebih besar dibanding dengan kedua atau tiga pass. Namun ketel satu pass mempunyai diameter silinder yang lebih kecil. Contoh ketel pipa api : 5
a. Ketel Sederhana Vertikal b. Ketel Cochran c. Ketel Lancashire d. Ketel Cornish e. Ketel Lokomotif f. Ketel Kapal g. Ketel Velcon Kebaikan dari ketel pipa api adalah : a. Pemisahan air didalam ketel dilakukan dengan cara memanaskan air oleh pipa air yang ada didalam lorong yang aa didalam ketel, sehingga panas yang dipindahkan akan lebih besar. b. Drum ketel berfungsi sebagai tempat penampungan air atau uap tempat bidang pemanas,sehingga pembentukan uap lebih efisien. c. Permukaan pemisah antara air dan uap lebih luas atau terbawa kemungkinan bintik-bintik air dalam aliran uap akan kecil. Kelemahan dari ketel pipa api adalah : a. Kapasitas uap yang digunakan ketel ini lebih kecil. b. Kemungkinan terjadinya kerak dalam drum dan permukaan luar pipa lebih besar. c. Pembersihan pipa dan drum karena pembentukan kerak lebih sulit.
b.
Ketel Pipa Air
Ketel pipa air, air disirkulasikan didalam pipa yang dikelilingi oleh gas panas dari luar pipa. Konstruksi pipa yang dipasang didalam ketel dapat lurus dan juga dapat berbentuk melengkung, tergantung dari jenis ketelnya. Pipa-pipa yang lurus yang dipasang secara paralel didalam ketel dihubungkan dengan dua buah header. Dan header tersebut juga dihubungkan dengan drum uap yang dipasang secara horizontal diatas susunan pipa.
6
Gambar 2. Ketel Pipa Air
Susunan diantara kedua header mempunyai kecondongan tertentu, hal ini dimaksudkan agar dapat mengatur sirkulasi uap di dalam ketel. Contoh ketel pipa air : a.
Ketel Babcock dan Wilcock
b.
Ketel Lamont
c.
Ketel Benson
d.
Ketel Loeffler
Kebaikan ketel pipa air adalah : a.
Kapasitas uap yang lebih besar
b.
Penggantian pipa pemanas lebih mudah dilakukan.
c.
Ketinggian ketel dapat dibuat tidak terlampau besar.
d.
Peralatan didalam ketel dapat didekati walaupun ketel sedang beroperasi.
Kelemahan ketel pipa air adalah : a.
Pada umumnya, penguapan terjadi didalam pipa, sehingga permukaan pemisah antara air dan uap pipa kecil karena terjadi binti-bintik air di dalam aliran uap besar.
b.
Tingkat penguapan akan cepat turun pada tingkat sirkulasi yang rendah.
c.
Air pengisian sangat berpengaruh terhadap kapasitas ketel.
d.
Biaya perawatan ketel ini lebih tinggi. 7
2.
Menurut Posisi Dapur (Furnance) Menurut posisi dapur, ketel digolongkan : a. Pembakaran di Dalam (Internal Fired) Pada ketel ini pembakarannya ditempatkan di dalam shell ketel. Ketel pipa api termasuk jenis pembakaran di dalam, dimana pembakaran bahan bakar dilakukan di dalam shell itu sendiri dan langsung pembakarannya diterima oleh shell. b. Pembakaran di Luar (External Fired) Pada ketel pembakaran di luar, dapur ditempatkan dibawah ketel di dalam ruangan yang dikelilingi dinding bata api. Ketel pipa air adalah termasuk pembakaran di luar. Dapur dapat dikatakan terpisah dari ketel ini mempunyai ruang pembakaran yang cukup besar, sehingga kemampuan untuk memancarkan panas lebih besar.
3.
Menurut Jumlah Pipa Menurut jumlah pipa, ketel digolongkan : a. Pipa Tunggal (Single Pipe) Ketel pipa tunggal, hanya terdapat satu pipa air atau pipa api. Yang termasuk ketel jenis ini adalah ketel vertikal sederhana dan ketel Cornish. b. Pipa Majemuk (Multi Pipe) Pada ketel ini terdapat dua atau lebih pipa api atau pipa air. Yang termasuk ketel jenis ini adalah ketel Lamont, ketel Lokomotif, dan lain sebagainya.
4.
Menurut Metode Sirkulasi Air dan Uap Menurut sirkulasi air dan uap, ketel ini digolongkan : a. Sirkulasi Alam Sirkulasi air dan uapnya dilakukan dengan oleh gerakan gelembung-gelembung air di dalam pipa akibat transfer panas dari cairan panas ke cairan dingin yang dilakukan sepanjang pamanasan. Kebanyakan ketel ini menggunakan sirkulasi alam. b. Sirkulasi paksa Sirkulasi air dan uapnya dilakukan dengan menggunakan pmpa sirkulasi yang digerakkan oleh tenaga dari luar. Penggunaan etode sirkulasi paksa ini 8
kebanyakan digunakan pada ketel yang tekanannya tinggi seperti ketel Lamont, ketel Benon, ketel Loeffler, dan ketel Velcon.
5.
Menurut Penggunaannya Menurut penggunaannya ketel digolongkan : a.
Stasioner Ketel stasioner atau ketel tetap yang banyak digunakan untuk power plant dan dalam proses industri. Ketel ini disebut stasioner karena tidak bergerak dari satu tempat ke tempat lain.
b.
Mobile Ketel mobile atau ketel bergerak adalah ketel yang dalam penggunaanya dapat bergerak dari satu tempat ke tempat lain. Jenis ketel ini adalah Ketel Lokomotif dan ketel Kapal laut.
6.
Menurut Sumber Panas Ketel ini juga dapat digolongkan menurut sumber panas yang digunakan untuk menghasilkan uap. Sumber panas ini berupa hasil pembakaran terdiri dari : a.
Bahan bakar padat
b.
Bahan bakar cair
c.
Bahan bakar gas
d.
Gas buang
e.
Bahan bakar nuklir
D. Hal-hal yang Harus Dimiliki oleh Ketel yang Baik
Ketel yang baik harus memiliki beberapa faktor, yaitu : a.
Ketel harus dapat menghasilkan julah dan mutuuap secara maksimum pada pemakaian bahan bakar minimum. Artinya ketel tersebut dapat bekerja dengan efisiensi semaksimum mungkin.
b.
Ketel harus dapat secara cepat menyesuaikan fluktuasi beban ( baik turunnya beban)
c.
Ketel harus dapat di start dalam waktu yang singkat tanpa menimbulkan kerusakan pada bagian ketel tersebut, artinya sesuai dengan waktu telah ditetapkan dalam instruksi manual dari ketel tersebut.
d.
Ketel harus ringan, sehingga tidak menyulitkan pada saat pemasangannya.
9
e.
Ketel harus seringan mungkin sehingga dapat ditempatkan didalam ruangan yang kecil.
f.
Sambungan-sambungannya harus sedikit mungkin dan dapat dijangkau pada saat dilakukan inspeksi.
g.
Lumpur dan deposit-deposit lain mudah dikeluarkan dari dalam ketel dan tidak menggumpal pada plat-plat yang dipanasi.
h.
Bahan refraktori harus dikurang seminimum mungkin. Tetapi harus cukup untuk menjamin perpindahan panas secara radiasi.
i.
Pipa harus tidak terakumulasi lumpur atau endapan dan tidak udah rusak karena kena korosi.
j.
Semua peralatan dan perlengkapan keselamatan kerja harus dapat bekerja dengan baik dan mudah di kontrol.
k.
Kehilangan panas karena radiasi harus sekecil mungkin, oleh karenanya isolasi yang digunakan harus mempunyai daya hantar panas yang rendah.
E. Dasar Pemilihan Ketel Uap
Prinsip pokok untuk merencanakan atau memesan ketel adalahlima parameter yang harus dipenuhi yaitu : a.
Efisiensinya tinggi yang ditunjukkan oleh transfer panas yang diperlukan dengan rugi-rugi minimum. Hal ini meliputi permukaan heat transfer, isolasi yang baik, baffle efektif, dan lain-lain.
F.
b.
Power, beban dan tekanan kerja yang dikehendaki.
c.
Posisi geografis daripada power house.
d.
Bahan bakar dan air yang dapat disediakan.
e.
Dapat menghasilkan uap yang bersih.
Jenis-jenis Ketel Uap
Jenis-jenis ketel yang sering digunakan di industri adalah : 1. Ketel Vertikal Sederhana Suatu ketel vertikal sederhana menghasilkan uap pada tekanan rendah dan dalam jumlah yang kecil. Oleh karenanya ketel ini digunakan untuk membangkitkan tenaga yang lebih rendah atau pada tempat-tempat yang ruangannya terbatas. Ketel ini terdiri dari silindrikal shell yang mengelilingi sebuah ruang api yang bentuknya silinder. Ruang api dibujurkan ke atas untuk mengijinkan lewatnya uap 10
ke permukaan. Pada bagian bawah ruang api terdapat kisi-kisi. Pada ruang api dilengkapi dengan dua atau lebih pipa yang melintang dan condong. Kecondongan ini dimaksudkan untuk menambah luas permukaan yang dipanaskan sebaik mungkin untuk sirkulasi air. Pada plate puncak ruang api yang melengkung dihubungkan denga sebuah cerobon asap yang mana gas asap dilepas keluar. Pada tempat yang mana cerobong melalui ruang uap, cerobong asap ini mendapat pendinginan dari uap. Agar cerobong asap di bagian dalam tidak terlalu panas, maka di dalam cerobong asap diberi batu tahan api agar cerobong asap ini tidak langsung bersinggungan dengan api. Berdasarkan dengan tiap-tiap ujung pipa air ada sebuah tangan pada shell dilengkapi lubang lumpur yang dimaksudkan untuk mengeluarkan lumpur atau endapan. Juga ada lubang untuk dapat dimasuki orang pada saat diadakan pembersihan atau pemeriksaan/perawatan.
Gambar . Ketel Vertikal Sederhana
2. Ketel Cochran atau Ketel Multitubular Ketel ini termasuk ketel vertikal yang paling banyak digunakan karena hemat bahan bakar, pembentukan uapnya cepat dan konstruksinya kuat. Di dalam dinding-dinding ketel ditempatkan pipa-pipa (fire tube). Bagian puncak dari shell di tutup yang cembung, pada tutup ini memberikan ruangan yang besar yang mana dapat memberi kesempatan uap basah jatuh kembali sehingga yang dihasilkan benar-benar kering. Pipa-pipa api yang tersusun mendatar membagi bagian dalam shell di atas peti api. Ruangan-ruangan yang terbagi dinamakan ruang
11
nyala dan yang satu disebut ruang asap. Pada dinding ruang nyala dipasang batu api yang dimaksudkan agar nyala api ini biasanya dilengkapi dengan pintu yang biasanya digunakan untuk lewat orang yang akan melakukan pembersih pada pipa pipa api.
3. Ketel Kapal Ketel jenis ini sangat banyak digunakan pada kapal, oleh karena itu dianggap sebagai ketel kapal. Ketel ini adalah ketel pipa api mendatar berbentuk silinder dengan garis tengah yang besar bila dibandingkan dengan panjangnya. Kerugian cerobong asap ini kira-kira 20 % dari jumlah panas seluruhnya dari hasil pembakaran.
4. Ketel Lancashire dan Corn Wall Jenis ketel ini adalah jenis ketel darat pipa api, pembakarannya ada didalam, horizontal dan sirkulasi alamiah. Ketel ini digunakan untuk tekanan kerja dan daya sedang.
Gambar. Ketel Lancashire dan Corn Wall 5. Ketel Cornish Jenis ketel ini sama dengan ketel Lancashire di dalam demua hal, kecuali pada ketel Cornish hanya ada satu lorong asap.
6. Ketel Lokomotif Ketel lokomotif adalah ketel jenis multitubular, horizontal, pembakaran di dalam dan dapat bergerak. Prinsip utama dari ketel ini adalah untuk menghasilkan 12
uap dengan kecepatan yang sangat tinggi. Ketel ini terdiri dari sebuah shell yang mempunyai sebuah shell yang mempunyai diameter 1,5 m dan panjang 4 m. Shell terisi air yang mengelilingi pipa-pipa api yang mana mendapat panas dari gas panas dan berubah menjadi uap. Sebuah katup pengatur dipasang di dalam sebuah drum yang berbentuk silinder. Katup pengatur dioperasikan dengan sebuah poros regulator yang diatur. Pembagi dibagi menjadi 2 bagian, satu adalah ruang uap panas lanjut dan satu lagi untuk ruang uap jenuh. Sebagai pengganti udara pembakaran digunakan uap bekas yang dimasukkan lewat pipa buang. Pintu depan dapat dibuka untuk keperluan pembersihan dan reparasi. Abu dari kisi-kisi pembakaran dikumpulkan dengan bantuan damper.
Gambar . Ketel Lokomotif
7. Ketel Babcock dan Wilcox ( B & W ) Ketel ini termasuk kedalam ketel pipa air seperti yang ditunjukkan dalam gambar dibawah ini, terdiri dari drum air dan uap yang dihubungkan oleh pipa pendek dengan header atau riser pada ujung belakang, pipa-pipa air dicondongkan kearah horizontal dan bersambung dengan kedua header. Tiap-tiap deret pipa disambung dengan dua buah header dan terdapat deretanderetan yang begitu banyak. Damper dioperasikan dengan rantai untuk aliran udara pembakaran yang memasuki ruang pembakaran. Air disirkulasikan dari drum ke dalam header dan melalui pipa-pipa dan kembali lagi ke header dan drum. Air terus menerus disirkulasikan sampai menguap. Sebuah uap superheat terdiri dari pipa baja yang jumlah banyak dan terdapat dua
13
box, satu adalah untuk superheated steam box dan satu lagi untuk uap jenuh. Uap selama melewati pipa-pipa superheated mendapatkan panas kebih lanjut.
8. Ketel Lamont Ketel ini termasuk ke dalam ketel jenis ketel pipa air tekanan tinggi yang bekerja dengan suatu sirkulasi paksa. Sirkulasi dilakukan oleh sebuah pompa sentrifugal yang digerakkan oleh turbin dengan uap menggunakan uap dari ketel itu sendiri.
9. Ketel Loeffeler Ketel ini termasuk kedalam ketel pipa air dengan menggunakan sirkulasi paksa. Prinsip kerjanya adalah menguapkan air umpan dengan maksud memperoleh uap superheat dari superheater. Gas panas dari dapur digunakan untuk pemanasan lanjut.
G. Deskripsi
Boiler
atau ketel uap adalah suatu peralatan penghasil uap meliputi untuk
pemanasan/pembentukan uap dari fluida cair, pemanasan lanjut (superheating), dan pemanasan ulang (reheating) terhadap uap tersebut sehingga disebut juga “Steam Generator ”.
Fluida kerja boiler secara umum adalah air (H2O) karena harganya yang murah. Air dalam ketel memperoleh energi panas dari hasil pembakaran suatu bahan bakar dengan oksigen (udara) melalui proses heat transfer.
14
Gambar 3 . Steam Generator
H. Alat Pengaman dan Kontrol
Semua boiler atau ketel uap ( bahkan penggunaannya untuk alat mainan kecil) harus dipasang katup-katup pengaman ( safety valves). Katup-katup ini dirancang untuk melepaskan uap jika tekanan kerja aman dilampaui dan bisa berupa beban pegas atau beban pemberat. Sangat berbahaya lainnya jika turun level dibawah aman, maka pipa-pipa akan menjadi kering dan tidak akan didinginkan oleh air atau uap. Hal ini akan cepat menyebabkan kegagala, sebagaimana baja (steel) lunak pada temperatur berbeda-beda. Untuk menjamin pengoperasian yang aman, fusible plugs bisa dipasang pada titik-titik strategis. Alat ini akan meleleh dan dikeluarkan jika temperatur yang aman dilampaui. Boiler juga harus dipasang dengan sejumlah alat ukur tekanan ( gauges) dan gelas penduga ( sight glasses) pada instalasi-instalasi yang lebih besar, maka memerlukan pengawasan boiler penuh waktu. Boiler yang lebih kecil disebut jenis “paket” dirancang untuk pengoperasian dengan cara yang sama otomatis, tetapi peraturan-peraturan safety masih dapat memerlukan supervise.
I.
Perpindahan Panas pada Ketel Uap
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, melalui bidang yang dipanaskan atau Heating Surface pada suatu instalasi ketel uap dengan tiga cara, yaitu : 1. Perpindahan Panas dengan Cara Pancaran Pemindahan panas secara pancaran atau radiasi adalah pemindahan panas antara suatu benda ke benda lain melalui gelombang-gelombang elektromagnetik tanpa tergantung kepada ada atau tidak adanya media atau zat diantara benda yang menerima pancaran tersebut. Pemindahan panas secara pancaran dapat dibayangkan berlangsung melalui Aether yaitu berupa jenis materi bayangan tanpa bobot, yang mengisi seluruh selasela ruangan diantara molekul-molekul dari suatu zat tertentu ataupun di dalam ruang hampa sekalipun. Molekul-molekul api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan menyebabkan terjadinya gangguan keseimbangan elektro magnetis terhadap 15
Aether tersebut. Sebagian dari panas atau energy yang timbul dari hasil pembakaran tersebut diserahkan kepada Aether dan yang akan menyerahkan lebih lanjut melalui gelombang-gelombang elektromagnetik kepada benda-benda atau bidang yang akan dipanasi (dinding ketel,dinding tungku, lorong api,pipa-pipa, dan sebagainya). Penyerahan panas dari api atau gas melalui Aether kepada bidang yang akan dipanasi tersebut melalui gelombang-gelombang elektromagnetis yang lintasannya lurus seperti halnya lintasan sinar. Apabila
lintasan
penyerahan
panas
melalui
gelombang-gelombang
elektromagnetis dari Aether tersebut tertutup atau terhalang oleh benda lain, maka bidang yang akan menerima panas secara pancaran atau terhalang penyerahan panas secara pancarannya. Dengan demikian bidang yang aka dipanasi hanya dapat menerima perpindahan panas secara pancaran bila bidang/benda tersebut dapat melihat api tersebut. Bila sesuatu benda/bidang terhalang penglihatannya pada api, maka bidang tersebut tidak akan memperoleh panas secara pancaran. Semua zat-zat yang memancarkan panasnya (molekul-molekul atau gas asap), intensitas radiasi thermisnya atau kuat pancaran panasnya tergantung dari temperature zat yang memancarkan panas tersebut. Bila pancaran menimpa sesuatu benda atau bidang, sebagian dari panas pancarannya yang diterima benda tersebut akan dipancarkan kembali (re-radiated), dipantulkan (reflected) dan sekaligus yang lain dari panas pancaran tersebut akan diserapnya.
2. Perpindahan Panas Secara Aliran atau Konveksi Perpindahan panas secara aliran atau konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang kesana kemari membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding ketel, selebihnya yaitu Q 2 = Q - Q1 joule dibawanya pergi. Bila gerakan dari molekul-molekul yang melayang-layang kesana kemari tersebut disebabkan karena perbedaan temperatur di dalam fluida itu sendiri maka perpindahan panasnya disebut konveksi bebas ( free convection) atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan molekul-molekul tersebut sebagai akibat
16
dari kekuatan mekanis (karena dipompa atau karena dihembus dengan fan) maka perpindahan panasnya tersebut disebut konveksi paksa ( force convection). Dalam gerakannya, molekul-molekul api tersebut tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding ketel atau bidang yang dipanasi.
3. Perpindahan Panas Secara Perambatan atau Konduksi Perpindahan panas secara perambatan atau konduksi adalah perpindahan panas dari suatu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya perpindahan 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 molekul-molekul dinding ketel sebelah dalam yang berbatasan dengan air, uap ataupun udara. Panas yang dibawa merambat oleh dinding ketel tersebut akan diterima oleh molekulmolekul air, uap ataupun udara dengan cara konveksi pula yaitu penyerahan sebagian panas dari molekul-molekul dinding ketel kepada molekul-molekul air, uap ataupun udara tersebut dala keadaan mengalir/ bergerak, bukan dalam kondisi diam. Dengan demikian penyerahan panas secara konveksi atau konduksi bersamasama melalui proses-proses sebagai berikut : a.
Panas dialihkan dari fluida (api atau gas asap) kepada benda padat (dinding ketel).
b.
Panas dirambatkan di dalam benda padat (dinding ketel) atau di dalam benda padat berlapis-lapis (jelaga-dindin ketel-kerak ketel).
c.
Panas dialihkan dari benda padat (dindin ketel atau kerak ketel) kepada fluida (air, uap, ataupun udara).
J.
Pemanas Lanjut Uap atau Steam Superheater
Pemanas lanjut atau superheater (super = lebih, heater = pemanas, superheater = pemanas lebih lanjut) adalah alat untuk memanaskan uap basah menjadi uap yag dipanaskan lanjut. Uap yang dipanaskan lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan segera mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik 17
atau Back Stroke yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi. Kemungkinan terjadinya pukulan balik atau back stroke ditempat yang belum semestinya tersebut lebih mudah terjadi bila yang digunakan ialah uap basah sebagai penggerak mesin uap ataupun turbin uap. Ada beberapa macam pemanas lanjut, diantaranya : 1.
Superheater Konveksi Superheater Konveksi menerima panas secara konveksi dari api atau gas asap. Jumlah gas asap yang lewat tergantung dari jumlah bahan bakar yang dibakar. Makin banyak jumlah gas asap yang terbentuk dan melewati superheater konveksi tersebut dan sebaliknya, makin berkurang bahan bakar yang dibakar maka makin berkuran pula jumlah pada gas asap yang terbentuk.
2.
Superheater Pancaran atau Radiant Superheater Superheater pancaran menerima panas dari pancaran. Temperatur api hanya tergantung dari jenis bahan bakar yang dibakar dan temperatur udara pembakaran yang dimasukkan ke dalam tungku.
3.
Superheater Kombinasi Superheater kombinasi merupakan kombinasi antara superheater konveksi dan superheater pancaran, maka karakteristik atau sifat-sifat yang kurang baik dari superheater konveksi dan superheater pancaran dapat dieliminasi sehingga yang tersisa ialah karakteristik yang baik dari kedua superheater tersebut : a.
Dapat mengikuti beban
b.
Temperatur uap dapat tinggi
c.
Harganya mahal
Kekurangannya ialah harganya yang mahal merupakan harga superheater konveksi ditambah harga superheater pancaran. K. Draught atau Draft
Draught atau Draft adalah tarikan gas asap akibat perbedaan tekanan antara gas atas dan bawah “Fire-Rate” juga disebut sirkulasi udara (air circulation) dalam boiler atau boiler draft. Ada 3 (tiga) cara menghasilkan Boiler Draft yaitu : 1.
Dengan Pemasangan Cerobong (Strack)
2.
Dengan Mechanical Fan 18
3.
Dengan Steam Jet Draft yang dihasilkan oleh cerobong disebut sebagai tarikan alam (natural draft)
sedangkan draft yang dihasilkan oleh mechanical dan steam jet disebut sebagai tarikan buatan (artificial draft). 1.
Natural Draft Cerobong yang digunakan untuk mengalirkan gas asap ke luar dari ketel uap dengan kecepatan tertentu dan digunakan untuk mengatasi geseran-geseran yang terjadi terhadap aliran gas asap mulai dari rangka bakar atau pembakaran hingga keluar cerobong. Dengan kata lain untuk menimbulkan isapan cerobong atau Stack Draught. Disamping itu digunakan untuk membuang gas asap setinggi mungkin sehingga tidak mengganggu lingkungan sekitarnya. Timbulnya isapan cerobong disebabkan karena perbedaan berat jenis antara berat jenis gas asap.
2.
Ventilator Bila isapan cerobong hanya didasarkan kepada isapan cerobong alamiah saja, maka cerobong harus dibuat tinggi sekali. Lagipula pada saat mulai menyalakan api di dalam tungku atau initial firing akan didapat kesukaan yaitu sepanjang saluran gas asap temperaturnya masih rendah pada saat itu, sehingga perbedaan berat jenis gas asap belum begitu besar atau bahkan praktis masih belum ada perbedaan berat jenis sehingga isapan cerobong juga masih rendah, hampir-hampir nol. Dengan demikian memperbesar harga isapan cerobong efektif maka digunakan ventilator-ventilator atau fan untuk menciptakan isapan cerobong paksa sehingga harga isapan cerobong teoritis dapat diperbesar.
3.
Steam Jet Draught Di dalam ketel steam jet draught , uap bekas dari steam engine yang tidak terkondensasi digunakan untuk memperoleh penarikan udara. Cara ini kebanyakan digunakan pada ketel lokomotif dimana uap bekas dari mesin silinder yang dikeluarkan melalui pipa letup (blast pipe) yang ditempatkan pada peti asap dan dibawah cerobong. Di dalam sebuah induced steam jet draught, uap dipancarkan dari sebuah nozzle yang ditempatkan di dalam tempat abu di bawah tungku api dapur ( furnance).
L. Pengoperasikan Boiler (Ketel Uap) 19
1.
Pri nsip Kerja Boil er
Dalam boiler air diubah menjadi uap. Panas diserap air di dalam boiler dan uap yang dihasilkan secara kontiniu. Air umpan boiler untuk menggantikan kehilangan air di dalam boiler yang berubah menjadi uap. Ketika uap meninggalkan air yang mendidih, padatan terlarut yang berasal dari umpan boiler tertinggal di air boiler. Padatan-padatan yang tertinggal menjadi bertambah kepekatannya, dan bahkan dapat mencapai ke suatu tingkat dimana pemekatan lebih lanjut bisa menyebabkan terbentuknya kerak atau diposit di dalam boiler. 2.
Suplai Energi
Suplai energi terhadap boiler diperoleh dari bahan bakar. Rancangan bahan bajar boiler jenis “Fired Steam Boiler Type Fulton 30 E “ pada alat penguji ini adalah solar. Kandungan energi (E) bahan bakar (Kj/Kg) dapat diperoleh melalui perccobaan “Bomb Calorimeter” , atau bisa dihitung dengan rumus Dulog jika bahan diketahui (hasil analisis lab). Dalam pengujian ini, kandungan energi solar dapat diperoleh dari buku referensi Heat Engineering. Besarnya energi panas pembakaran adalah suplai panas terhadap boiler : Qs = m .E
Dimana : m E 3.
= Laju aliran massa bahan bakar (Kg/Jam) = Kandungan energi bahan bakar (Kj/Kg)
En er gi Evaporasi
Energi untuk perubahan air pengisian (feed water) menjadi uap dalam proses evaporasi adalah besarnya kandungan enthalpi uap kurang kandungan enthalpi air pengisian Q = m (hu – ha)
Dimana :
mu = laju aliran massa uap (kg/jam) hu = enthalpi uap (kj/kg) ha = enthalpi air (Kj/kg)
20
dimana ms adalah laju aliran massa uap dari boiler pada kondisi keadaan tunak/steadi (steady-state) adalah juga sama dengan laju aliran massa air masuk ke boiler. 4.
Ef isiensi Boil er
Efisiensi boiler atau ketel uap adalah perbandingan antara energi evaporasi (penguapan) terhadap energi suplai bahan bakar atau perbandingan energi keluaran berguna dibagi energi total masuk (input),maka :
ηB =
=
atau
ηB =
x 100%
Besar efisiensi dari pengopperasian sebuah boiler modern dengan minyak atau gas adalah kira-kira 80%. Harga ini agak lebih rendah pada sebuah ketel pembakaran berbahan bakar padat. 5.
Tekanan Absolut Uap
Tekanan absolut uap adalah tekanan pengukuran (gauge) ditambahkan tekanan atmosfer. Pabs = Pgauge + Patm
Dalam mengoperasikan boiler, setelah mendapatkan tekanan 2 bar. Maka, boiler dijaga pada tekanan tersebut selang beberapa waktu baru boiler boleh diaktifkan sampai tekanan yang telah diinginkan agar boiler tidak cepat rusak. Bahwa ketel uap atau steam generator dapat beroprasi dengan efisiensi lebih dari 80%.
Audit Energi (pemeriksaan Energi) :
Energi input : Energi input adalah energi panas hasil pembakaran bahan bakar solar dengan oksigen (udara). Dapat ditentukan dengan persamaan rumus sebagai berikut : 21
Qin = Qbb = mbb. Ebb
Dimana :
mbb
= Konsumsi Bahan Bakar (kg/jam)
Ebb
= Kandungan Energi Solar (Kj/Kg)
Energi input lainnya seperti listrik dapat diabaikan, kandungan udara dan kandungan air sudah tercakup dalam analisa yang lain.
Energi output : Energi output terbagi 2 yaitu : 1.
Energi output berguna (useful) yang diinginkan
2.
Energi output tak berguna (losses)
1. Energi Output Berguna Energi output berguna adalah energi penguapan energi panas yang di transfer dari panas pembakaran yang dapat diserap oleh fluida kerja air yang berubah menjadi uap. Energi berguna atau energi panas penguapan ini dapat ditentukan dengan rumus : Qeva = m. U (hu-ha)
Dimana : mu = laju aliran massa sama dengan laju aliran mass air umpan (ma) (Kg/jam) hu = enthalpi uap yang dihasilkan boiler (Kj/Kg) ha = enthalpi air umpan boiler /masuk ketel (kj/Kg)
2.
Energi Output Tak Berguna Energi output tak berguna adalah energi panas keluar kecerobong asap. Energi panas yang keluar kecerobong asap dapat dihitung/ditentukan dengan rumus sebagai berikut : Qg = mg. Cpg (T-Tu)
Dimana : 22
Mg = laju aliran massa gas asap keluar cerobong (Kg/jam) Cpg = panas jenis/spesifikasi rata-rata gas asap (KJ/Kg.K) Tg = temperatur gas asap masuk kedalam cerobong keluar dari boiler (K) Tu = temperatur gas asap meninggalkan cerobong asap =temperatur udara luar (K) Energi panas kerugian kelingkungan (losses) ; Dapat ditentukan dari balans energi masuk dan keluar, maka : Qlosses = Qin – (Qeva + Qg)
Menntukan laju aliran massa usara per Kg bahan bakar : Draft (Draught), h = 353H Dimana ; h
= Draft (draught) atau tarikan gas asap (kg/m2 atau mmH2O)
H
= 5 m ( tinggi cerobong asap ) (m)
Tu
= temperatur udara luar (K)
Tg
= temperatur gas asap (flue) (K)
m
= A/F (kg udara / k bahan bakar)
Opti masi sistem ener gi 1. Memperbaiki isolasi dan kebocoran Efisiensi = 20%
2. Merancang Ekonomiser (HE) Energi panas yang bertransfer dari gas ke fluida kerja air pada ekonomiser (HE) dapat dirumuskan : 23
QgHE = mg . Cpg (Tg in – Tg out)
energi panas yang bertransfer diserap oleh air dapat dirumuskan : QwHE = ma . Ca (Ta out – Ta in)
dari persamaan azas black : yang diberikan gas asap = yang diberikan oleh air QgHE = QwHE = ma . Ca (Ta out – Ta in) Ta out = ........... ???
Berdasarkan peralatan heat transfer (perpindahan panas) jumlah panas yang bertransfer pada ekonomiset (HE) adalah : QHE = U . A . LMTD
dimana : A U
= luas bidang penampang perpindahan panas (m 2) = = Koefisien perpindahan panas tota (W/m2. K) =
LMTD
=
Bahan Bakar Boiler
Jenis-jenis bahan bakar. 1. Bahan Bakar padat ( batu bara, Kokas , kayu dll) Batu bara terbagi menjadi beberapa macam menurut umurnya, yang paling tua dinamakan “antrasit” ditandai dengan nyala api yang kebiru -biruan bial ia dibakar. Batau bara semakin tua semakin banyak mengandung energi/ kg nya dan semakin muda semakin banyak mengandung gas. Batu bara yang muda nyala api ke merah-merahan. 2. Bahan bakar cair. Misalnya Premium/Petrolium, minyak tanah , solar dll 3. Bahan bakar Gas. Misalnya, LPG,LNG Bahan bakar tersebut dapat pula digolongkan dalam 2 golongan : 1. Bahan bakar Alam 2. Bahan bakar Buatan Bahan bakar umunya mengandung Unsur Carbon, Hydrogen, Sulfur, Nitrogen, Oksigen dll.
24
Proses pembakaran adalah reaksi antara unsure-unsur yang ada didalam bahan bakar dengan oksigen. Misalnya : Pembakaran unsur C CO2C + O2 - panas--Pembakaran unsur H 2H2 + O2 H2O panas---Pembakaran unsur S S + O2 SO2- panasDengan mengetahui kandungan unsur yang ada didalam bahan bakar, maka akan dapat ditentukan Nilai panas yang dihasilkan oleh bahan bakar. 1. Nilai Panas ( Nilai Pembakaran) HV ( Heating Value) Nilai Panas adalah : jumlah panas yang dikeluarkan oleh 1kg bahan bakar bila bahan bakar tersebut dibakar. Pada gas hasil pembakaran terdapat H2O dalam bentuk uap atau cairan. Dengan ilai pembakaran bila H2O yang terbentuk berupa uap akan lebih kecil bila dibandingkan dengan H2O yang terbentuk sebagai cairan. Berarti ada 2 macam Nilai Pembakaran yaitu Nilai Pembakaran Atas (NPA) atau HHV dan Nilai Pembakaran Bawah.(NPB) atau LHV. 2. NPA atau HHV adalah : Yaitu Nilai Pembakaran bila didalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berebentuk cairan 3. NPB atau LHV adalah: Yaitu Nilai Pembakaran bila didalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berbentuk gas. Rumus Dulong & Petit untuk menghitung Nilai Panas HHV = 33950 C + 144200 ( H2-O2/8) + 9400 S kJ/Kg (Prinsip Prinsip Konversi Energi) Dimana: C = persentase unsure Carbon. H2 = persentase unsure Hidrogen. S = persentase unsure Sulfur. O2 = persentase unsure Oksigen. LHV = HHV – 2400 ( M+9H2) kJ/Kg. (Prinsip Prinsip Konversi Energi) M = Moinsture (kebasahan)
25
Jumlah kebutuhan udara untuk proses pembakaran juga dapat dihitung dengan persamaan pembakaran. Komposisi udara = 21 % O2 dan 79 % N2 dll dalam Volume atau Dalam komposisi berat ; 23,2 % O2 dan 76,8 % N2 dll Untuk mengitung kebutuhan udara teorits dapat digunakan rumus:
BAB III PELAKSANAAN PERCOBAAN A. Peralatan Percobaan
Peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut : MEREK
NO
Cussons
P7600
NAMA
Oil fired Boiler
26
P7602
Additional boiler instrumentation separating & Throttling Calorimeter Suplai Energi Listrik
P7672
Suplai air utilitas laboratorium
B. Prosedur Percobaan
Adapun langkah yang perlu dilakukan dalam praktikum optimasi boiler adalah sebagai berikut : 1.
2.
mengaktifkan semua suplai aliran listrik yang dibutuhkan boiler a.
switch ON PLN Mains (MCB)
b.
Switch ON GG Cold Water Unit
c.
Switch ON steam turbine.
Mengaktifkan semua aliran air yang akan masuk dan keluar boiler a.
Menghidupkan pompa 1 dan 2 pada panel (cukup hidupkan salah satu jenis pompa)
b.
Pompa berfungsi sebagai penyedia air ke boiler
c.
Pompa akan mati sendiri apabila air sudah pada res ervoir
d.
Membuka semua katup air yang akan menuju dan meninggalkan boiler (untuk pembukaan katup air hendaknya jangan terlalu besar karena aliran yang menuju boiler sudah cukup besar disamping itu hal ini mencegah kebocoran pada kran/ katup air
3. Menghidupkan CAM switch 4. Switch ON steam plant 5. Memeriksa ketinggian level air yang berada dalam boiler yang dapat dilihat pada alat kontrol/water column ( skala ketinggian air berdasarkan ketetapan batas yang diizinkan). 6. Setelah memeriksa air, menghidupkan pompa suplai minyak dan membuka kedua katup bahan bakar (katup pertama adalah aliran bahan bakar masuk dan katup yang kedua adalah aliran bahan bakar keluar 7. Melihat semua alat ukur, apabila sudah siap jalankan boiler sebagai persamaan sistem. Hal ini bertujuan untuk menjaga ketahanan peralatan pada boiler.
27
8. Setelah 15 menit, hidupkan boiler yang kemudian akan menghasilkan kualitas uap yang lebih baik. 9. Mencatat semua jumlah keseluruhan bahan bakar dan jumlah feed water dan yang sudah dituliskan. 10. Setelah semua data yang dibutuhkkan selesai dicatat, lakukan prosedur penghentian boiler dengan prosedur yang sebaliknya.
BAB IV DATA PERCOBAAN
Dari percobaan yang dilakukan dan proses pengamatan pada boiler maka dapat diperoleh data sebagai berikut : Waktu
Bahan Bakar
Air Umpan (m )
09.30
B = 73.2 Cm
129,1212
L = 75.8 Cm
28
10.30
T =7.1 Cm
Tekanan rata-rata
= 6 barg
Draft (Draught)
= 25 Pa (N/m2)
Temperatur
= 280 C
Air Umpan
= 280 C
Bahan Bakar
= 280 C
Uap air/Steam
= 1600 C (6 barg)
Temp.gas buang
= 2980 C (flue)
129,4389
Data-data pendukung Bahan bakar
: Solar
Density
: 0,82 KJ/Kg
Kandungan energi
: 45.500 KJ/Kg
Kualitas uap
: X = 92 %
BAB V ANALISA DATA Energi input boiler (energi panas masuk boiler) :
Dari hasil percobaan maka diperoleh kebutuhan bahan bakar selama satu jam : Waktu pengujian = 1 jam 1) Jumlah air umpan
29
Temperatur air umpan : Ta
Vfw
= 28oC
= 0,3177 m 3/jam
= 129,4389-129,1212
Density air umpan
= l fw = 1000 kg/m 3
Maka laju aliran massa :
mfw
= Vfw X l fw = 0,3177 m 3/jam X 1000 kg/m 3 = 317,7 kg/jam
maka :
mu
= ma
= 317,7 kg/jam (Stedy-state)
2) Kon sumsi bahan bakar (B ahan bakar yang digun akan adalah solar ( diesel)
Kandungan Energi LHV (E)
= 45.500 kJ/kg
Lama penggunaan boiler
= 1 jam
Ukuran Boiler
=>
L
= 75,8 cm
Maka laju aliran bahan bakar :
Vbb
;B
= 75,2 cm ;
T = 7,1 cm
=LXBXT = ( 75,8 cm x 75,2 cm x 7,1 cm ) / jam = 40.471,136 cm 3/jam = 40,471136 Liter/jam
Density minyak solar
=
Maka laju aliran minyak solar =
ρbb
= 0,82 kg/ltr
ṁbb
= V bb X ρ bb = 40,471136 liter/jam X 0,82 kg/ltr = 33,186 kg/jam
Qin
= Qbb = ṁ bb x E
= 33,186 kg/jam X 45.500 kJ/kg
=1.509.963 kJ/jam
3) Kondisi u ap yang dihasil kan boil er
Tekanan
= 6 bar (gauge)
Tekanan absolut = 7 bar (abs)
= 0.7 Mpa
30
Kualitas uap yang dihasilkan boiler :
X
= 92 % (diperoleh dari percobaan kualitas uap sebelumnya)
Energi penguapan :
Ialah energi panas untuk merubah air menjadi uap, dengan kata lain jumlah energi yang diserap luida H2O dari sumber panas pembakaran yang menjadikan air menjadi uap. Q = mu ( hu – ha)
Dimana : Pada tekanan 7 bar (abs) mu
= 317,7 kg/jam
hu
= hf + x. hfg
huap
= 697 kJ/kg + 0,92 ( 2065,8 kJ/kg )
; dimana : h f = 697,0 kJ/kg
h fg = 2065,8 kJ/kg
= 2.597,536 kJ/kg
Untuk Ta = 28oC Menggunakan interpolasi dari tabel uap :
T
hf
o
hf = ha
=
[ C]
[ kJ/kg ]
25
104,89
28
................?
30
125,79
117,37 kJ/kg 31
EFFISIENSI BOILER
ηB
=
=
=
X 100 %
X 100 %
= 52, 18 % Energi Output Boiler (energi panas keluar boiler) : Energi keluaran Berguna (Energi Evaporasi)
Qeva/uap
= ṁu (hu – ha) = 317,7 kg/jam x ( = 787.948,7382 kJ/jam
Massa udara adalah bergantung pada besar harga draft untuk 1 kg bahan bakar, maka draft :
h
= 24,5 Pa = 24,5 N/m 2 / 9,81 kg/m 2 = 2,4974 kg/m 2
H
=5
= 353 H
h
2,4974= 353. 5
2,4974= 5,864 – 1765
;
Tg
= 298 0C = 571 K ;
Tu
= 28 0C = 301 K
)
) )
)
=
)
= 0,0019
m+1
= 1,0849m
0,0849m
=1
m
= 11,78 kg udara / kg bahan bakar 32
Untuk 1 jam, maka m bb = 33,186 kg/jam Jumlah laju massa aliran udara, yaitu : mudara = m bb x m
= 33,186 x 11,78 [ kg/jam ] = 390,93108 kg/jam
Maka jumlah massa aliran gas asap adalah : mg
= mudara + m bb = 390,93108 + 33,186 [ kg/jam ] = 424,11708 kg/jam
Panas jenis gas buang : karena jumlah udara sangat besar (dominan) dibanding dengan jumlah bahan bakar maka gunakan sifat-sifat udara : Tudara = 28Oc = 301 K Maka : Tg
=
; Tgas asap
= 298 0C = 571 K
= 436 K
Maka dengan interpolasi : T 0
C pg
=
Cp
[ C]
[ kJ/ kg K ]
400
1,014
436
..........???
450
1,0207
= 1,018 kJ/kg K
Energi Keluaran tak Berguna
33
a. Energi panas ke cerobong asap
Energi panas dalam gas buang terbawa keluar cerobong Qg
= g C pg (Tg – Tu ) = 424,11708 . 1,018 (571-301) = 116.572,8206088 kJ/jam = 116, 573 MJ/jam
b. Energi panas ke lingkungan sekitar (rugi-rugi) Qloses = Q bb – (Quap + Q gas)
= 1.509.963 – (787.948,7382 + 116.572,82 ) [ kJ/jam ] = 605.441,442 kJ/jam Optim asi si stem ener gi boil er ;
1. Memperbaiki isolasi dan kebocoran-kebocoran = 30% x Qlosses
Estimasi = hemat
= 30% x 605.441,442 = 181.632,4325 kJ/jam
2. Pemanfaatan energi panas dalam cerobong gas asap (merancang HE = economiser) Asumsi : setelah mengurangi rugi-rugi ke lingkungan maka panas ke cerobong bertambah. Dalam hal ini dirancang suatu economizer yang ditempatkan pada keluaran dapur (masuk cerobong). (Tg)economizer = 220oC (direncanakan) maka energi panas oleh gas buang (dimanfaatkan) ke economizer adalah : Tgas in
= 2200C
= 493 K
Tgas out
= 298
= 571 K
Tg
=
=
= 532 K
Dari interpolasi, didapat =>> C p
= 1,03 kJ/kg K
Maka energi panas yang termanfaatkan di economiser :
(Qgas ) eco
= g C pg (Tg out – Tg in ) 34
= 424,11708 . 1,03 (571 – 493) = 34073,57 kJ/jam
Dalam economiser panas yang diberikan oleh air umpan adalah :
(Qair ) eco = (Qgas ) eco = a C p air (Tair out – Tair in )
34073,57 kJ/jam
= 317,7 kg/jam . 4,186 kJ/kg K . (T air – 280C)
Tair out
= 53,62 oC
Total energi panas yang dihemat adalah :
= (Qgas) eco + Qestimasi
Qhemat
= 34073,57 + 181.632,4325 = 215706 kJ/jam
% hemat
=
=
= 14,29%
Jumlah aliran bahan bakar yang dihemat yaitu :
mbb
=
=
= 4,741 kg/jam
Jumlah panas yang berpindah (heat tranfer) dalam economiser adalah :
Qeconomizer
= U . A . LMTD = 29441,31606 kJ/jam x 1000 J/3600 s = 8178,14335 J/s
Dimana :
A
= Luas bidang permukaan perpindahan panas (m 2)
d
= 1 inchi = 2,54 cm (sesuai dengan lapangan)
U
= koefisien perpindahan panas total = 60
LMTD = logaritma mean temperatur different ( oC) LMTD
=
Jadi , A
=
=
=
= 219,9 oC
= 0,57 m2
35
Dimana :
A
=π.d.L
L
=
= 2,85 m
Sehingga, untuk menentukan jumlah belitan (n), yaitu : Dkoil
= 0,25 cm
n
=
=
= 4 belitan
Maka setelah perancangan ekonomiser, jumlah laju bahan bakar yang dihemat sebesar 4,741 kg/jam. Jadi, jumlah bahan bakar yang dipakai akan dibutuhkan setelah perancangan ekonomiser adalah jumlah bahan bakar sebelum perancangan dikurang setelah perancangan atau secara sistematis sebagai berikut : m bb
= 33,186 kg/jam – 4,741 kg/jam = 28,445 kg/jam
Energi panas masuk, yaitu : Qsolar = Qbb
= m bb . E = 28,445 kg/jam x 45.500 kJ/kg = 1294247,5 kJ/jam
ηb
=
x 100 % =
x 100 % = 60,88 %
Misalkan boiler di Laboratorium Teknik Konversi Energi dihidupkan dalam sehari untuk setahun. Maka, besar biaya yang dapat dihemat di Laboratorium Teknik Konversi Energi dalam 1 tahun, yaitu :
Biaya yang dihemat = 4.741 kg/jam x Rp. 4500 x 24 jam x 365 hari = Rp. 186.890.220,- per hari
36
BAB VI PENUTUP
A. Kesimpulan
Setelah melakukan percobaan dan adanya pengamatan serta penganalisaan data yang diperoleh, maka dapat disimpulkan bahwa : 1. Boiler yang dilaboratorium Teknik Konversi Energi tidak mampu membakar bahan bakar sebanyak 33,186 kg/jam untuk menghasilkan energi sebanyak 1.509.690 kJ/jam. Dari hasil percobaan diperoleh efisiensi boiler sebesar 52, 18 %. 2. Untuk memanaskan boiler dilakukan secara bertahap agar kerja boiler tidak terlalu dipaksakan mulai dari start awal dan supaya panas yang terdapat di dalam boiler dapat merata panasnya. 3. Setelah diadakan suatu perancangan pemnfaatan gas buang dari cerobong gas asap total panas yang dihemat 14,29%.
37
