Rancang Bangun Dan Analisa Perpindahan Panas pada Ketel Uap Bertenaga Listrik

(1)

KARYA AKHIR

RANCANG BANGUN DAN ANALISA PERPINDAHAN

PANAS PADA KETEL UAP BERTENAGA LISTRIK

M.KELANA PUTRA.S 035202063

KARYA AKHIR YANG DIAJUKAN UNTUK MEMENUHI SALAH SATU SYARAT MEMPEROLEH

IJAZAH SARJANA SAINS TERAPAN

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI MEKANIK INDUSTRI

PROGRAM DIPLOMA-IV FAKULTAS TEKNIK

(2)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa,

karena berkat rahmat dan hidayah-NYA sehingga penulis dapat menyelesaikan

Laporan karya akhir ini dengan judul “RANCANG BANGUN DAN ANALISA

PERPINDAHAN PANAS PADA KETEL UAP BERTENAGA LISTRIK”.

Penyusunan laporan Karya Akhir ini dilakukan guna untuk menyelesaikan

Study di Prog. Studi Teknologi Mekanik Industri Universitas Sumatera Utara,

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Terapan.

Dalam kegiatan penulis untuk menyelesaikan Karya Akhir ini, penulis

telah banyak mendapat bantuan berupa bimbingan, arahan dan saran dari berbagai

pihak. Untuk itu maka dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima

kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir.Mulfi Hazwi,Msc sebagai Dosen Pembimbing penulis

2. Bapak Ir. Alfian Hamsi, Msc, selaku Ketua Program Studi Teknologi

Mekanik Industri Program Diploma-IV, FT-USU.

3. Bapak Tulus Burhanudin S, ST, MT selaku Seketaris Program Studi

Teknologi Mekanik Industri Program Diploma-IV, FT-USU.

4. Seluruh Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera

Utara.

5. Pegawai Departemen Teknik Mesin kak Is, kak Sonta, bang Syawal, bang

Izhar Fauzi, bang Yono, bang Rustam dan bang Marlon.

6. Staf Laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin bang Supriatin

(3)

8. Rekan-rekan mahasiswa di Program Studi Teknologi Mekanik Industri,

Program Diploma-IV, FT. USU stambuk ‘ 03 yang telah memberi

dukungan dan motivasi dalam penyelesaian karya akhir ini.

Penulis menyadari bahwa laporan ini masih belum sempurna adanya,

karena masih banyak kekurangan baik dari segi ilmu maupun susunan bahasanya.

Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran demi

menyempurnakan laporan ini.

Akhir kata bantuan dan budi baik yang telah penulis dapatkan,

menghaturkan terima kasih dan hanya Tuhan Yang Maha Esa yang dapat

memberikan limpahan berkat yang setimpal. Semoga laporan ini dapat bermanfaat

bagi kita semua dan bagi penulis sendiri tentunya.

Medan, Oktober 2007 Penulis

(4)

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR... i

DAFTAR ISI... iii

DAFTAR GAMBAR... v

DAFTAR TABEL ... vi

DAFTAR NOTASI... vii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan ... 3

1.3. Sistematika Penulisan ... 3

1.4. Batasan Masalah ... 4

1.5 Metode konstruksi... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiler)... 5

2.2. Klasifikasi Ketel... 5

2.3. Susunan Umum dari Ketel ... 10

2.4 Dasar – dasar Perhitungan Kekuatan Konstruksi... 12

2.4.1 Perhitungan Tebal Dinding Plat... 12

2.4.2 Perhitungan Kekuatan Baut dan Mur... 13

2.5 Perpindahan Kalor dalam Instalasi Uap... 15

2.5.1 Perpindahan Kalor Konveksi... 15

(5)

2.6 Konduktivitas Termal ... 21

BAB III PERHITUNGAN KEKUATAN KONSTRUKSI KETEL BERTENAGA LISTRIK (ELECTRIC BOILER) 3.1. Perhitungan Tekanan Kerja Pada Dinding Ketel ... 23

3.2 Perhitungan Kekuatan Baut ... 23

3.3 Perhitungan Kekuatan Tabung Penyimpan Uap ... 24

BAB IV ANALISA PERPINDAHAN PANAS 4.1 Laju Pindahan Panas Secara Konveksi ... 25

4.1.1 Laju Pindahan Panas Pada Elemen Pemanas... 26

4.1.2 Laju Pindahan Panas Pada Silinder Luar... 26

4.2 Laju Pindahan Panas Secara Konduksi dinding Ketel... 32

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 36

5.2 Saran ... 37

DAFTAR PUSTAKA... 38

(6)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Ketel lokomotif dan loko mobile ... 6

Gambar 2.2 Ketel B dan W ... 7

Gambar 2.3 Ketel Scotch. ... 8

Gambar 2.4 Ketel Benson ... 9

Gambar 2.5 Air yang tidak bersirkulasi ... 11

Gambar 2.6 Alat penimbang ... 13

Gambar 2.7 Perpindahan Kalor Konveksi dari Suatu Plat... 16

Gambar 2.8 Aliran kalor Satu Dimensi melalui Silinder Bolong dan Anologi listriknya ... 20

Gambar 2.9 Aliran Kalor Satu Imensi Melalui Penampang Silinder dan Anologi ... 21

Gambar 4.1 Photo Termometer Infrared... 25

Gambar 4.2 Grafik Pindahan Panas Konveksi Untuk Tiap Volume Air ... 31

(7)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Nilai Kira – kira Koefesien Perpindahan Kalor Konveksi ... 17

Tabel 2.2 Konduktivitas Termal. ... 24

Tabel 4.1 Tempetur Panas Dinding Ketel... 27

Tabel 4.2 Data Hasil Perhitungan Pindahan Panas Secara Konveksi Pada

Dinding Ketel ... 29

Tabel 4.3 Data Hasil Perhitungan Pindahan Panas Konduksi Pada Dinding

(8)

DAFTAR NOTASI

Lambang Keterangan Satuan

hsat Enthalpi uap saturasi kJ/kg

X Fraksi uap

ha Enthalpi air permulaan kJ/kg

L Panas laten kJ/kg

sup

h _{Enthalpi uap super heater} _kJ/kg

Cp Panas jenis uap rata-rata kJ/kg ºC

sup

t Temperatur uap superheater ºC

sat

t Temperatur uap saturasi ºC

sl Entropi selama penguapan kJ / kg ºC

k

 Effesiensi ketel %

mu Massa uap kg

mf Massa bahan bakar kg

W _{Energi listrik} _J

V Beda potensial Volt

I Kuat arus Ampere

t Waktu sekon

(9)

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Uap (steam) dalam pembicaraan selanjutnya dimaksudkan uap air yaitu

uap yang timbul akibat perubahan fase air (cair) menjadi uap dengan cara

pendidihan (boiling). Untuk melakukan proses pendidihan diperlukan energi

panas yang diperoleh dari sumber panas , misalnya dari pembakaran bahan bakar

(padat, cair, dan gas) tenaga listrik dan gas panas sebagai sisa proses kimia serta

tenaga nuklir.

Penguapan bisa saja terjadi disembarang tempat dan waktu pada tekanan

normal , bila diatas permukaan zat cair tekanan turun dibawah tekanan mutlak.

Uap yang dihasilkan dengan cara demikian tidak mempunyai energi potensial,

jadi tidak dapat digunakan sebagai sumber energi.

Sudah beribu-ribu tahuan manusia bersahabat dengan uap air, yaitu

semenjak manusia melakukan pekerjaan merebus ( boiling ), tetapi hanya baru

dua abad ini mereka baru menemui bagaimana untuk mempergunakan uap bagi

kepentingan mereka.

Para insinyur Yunani dan romawi telah mempunyai pengetahuan menarik

tentang sifat-sifat uap dan air panas, tetapi tidak mencoba untuk memakai ilmunya

tersebut. Hero dari Iskandar dengan Whirling aeolipyle mengembangkan prinsip

turbin reaksi dan mesin jet sekarang dalam bentuk sederhana, tetapi pada waktu

(10)

Tahun 1606 Giovanni Battista Della Porta merencanakan dua buah

laboratorium percobaan yang memperlihatkan tenaga uap dan sistem kondensasi.

Ketel sangat diperlukan di semua industri, baik industri kimia, tekstil

maupun industri mekanik lainnya, serta merupakan alat utama pada pembangkit

tenaga listrik (PLTU) juga merupakan kebutuhan di rumah-rumah sakit,

perhotelan, dan dikalangan transportasi laut (pada kapal laut).

Dengan melihat kenyataan yang ada, bahwa pemilihan teknologi tepat

guna, maka didalam penggunaan /pemakaian ketel, setiap pengoprasian dari alat

tersebut harus melaksanakan ketentuan-ketentuan yang berlaku pada

undang-undang dan peraturannya serta standar yang ada untuk keselamatan kerjanya.

Ditinjau dari aspek keselamatan kerja, jadi jenis ketel listrik yang

dioperasikan akan menimbulkan bahaya yang tidak diinginkan seperti : peledakan,

bahaya kebakaran, ataupun yang sifatnya merugikan, maka perlu diawasi secara

terus menerus, mengingat peralatan yang dioperasikan tersebut dalam keadaan

aman serta tenaga kerja yang bekerja disekitarnya berhak mendapat perlindungan

dan terjaminnya terhadap keselamatan, untuk itu perlu dilakukan pengawasan dan

evaluasi terhadap alat yang bekerja secara preodik untuk mencegah bahaya yang

lebih besar lagi.

Suatau hal yang wajar apabila ketel tersebut mengalami suatu perubahan

terhadap penilaian kekuatan konstruksi setelah dioperasikan selama 15 tahun, hal

itu diakibatkan olah cara kerja dari ketel, sistem penggunaan/pengoperasiannya,

baik terhadap air pengisi ketel yang dipakai ataupun faktor pada perencanaan yang

(11)

I.2 Tujuan

Tujuan dari perencanaan konstruksi yaitu:

1. Mengetahui konstruksi sebuah ketel bertenaga listrik (Electric Boiler).

2. Mengetahui laju pindahan kalor yang terjadi

I.3 Sistematika Penulisan

Karya akhir ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab

adalah sebagai berikut :

 Bab I : Pendahuluan

Bab ini berisikan latar belakang permasalahan, tujuan konstruksi, sistematika

susunan laporan, batasan masalah dan metode konstruksi.

 Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan mengenai pengertian tentang ketel bertenaga listrik (Electric

Boiler), klasifikasi ketel, susunan umum dari ketel, dasar-dasar perhitungan

kekuatan kostruksi, perpindahan kalor dalam instalasi uap.

 Bab III : Perhitungan Kekuatan Konstruksi Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiler)

Bab ini berisikan Perhitungan kekuatan konstruksi dari ketel dan material dari

ketel tersebut.

 Bab IV : Analisa Perpindahan Panas

Bab ini membahas tentang laju perpindahan kalor pada ketel secara konduksi

dan konveksi.

 Bab V : Kesimpulan

(12)

 Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.

 Lampiran.

Segala data hasil survey, data pendukung rancangan serta beberapa lampiran

yang digunakan dalam penulisan Karya Akhir ini dilampirkan guna

memudahkan dalam mencari maupun sebagai bahan kajian berikutnya.

I.4 Batasan Masalah

Dalam penulisan karya akhir ini, pembahasan dibatasi sebagai berikut :

1. Konstruksi dari ketel

2. Perhitungan laju pindahan kalor pada ketel.

I.5 Metode konstruksi

Metode yang dilakukan dalam konstruksi yaitu dengan memilih bahan

material yang akan dipakai kemudian cara pembuatan dari ketel tersebut dan

(13)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II. 1 Pengertian Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiling)

Ketel ini adalah merupakan salah satu jenis dari pada ketel yang ditinjau

dari sumber panas (Heat Source) untuk pembuatan uap dengan menggunakan elemen pemanas.

Fungsi dari ketel pada umumnya untuk mengubah air menjadi uap, dimana

uap ini diperoleh dengan memberikan sejumlah kalor terhadap air yang

merupakan bahan bakarnya dengan perkataan lain merupakan pesawat konversi

energi yang mengkonversikan energi listrik dari elemen pemanas menjadi energi

panas (uap) yang selanjutnya dapat digunakan untuk kepentingan pada proses

industri (dapat digunakan sebagai pembangkit listrik melalui turbin dan dapat

dimamfaatkan untuk proses pengolahan pada suatu pabrik industri).

Ketel bertenaga listrik pada dasarnya terdiri dari suatu bejana bertekanan

dimana didalamnya terdapat rangkaian elemen-elemen pemanas yang dialiri oleh

arus listrik. Ketel bertenaga listrik ini merupakan pembangkit tenaga uap yang

sangat sederhana sekali, dan terbatas hanya untuk tekanan uap yang relatif rendah.

II. 2 Klasifikasi Ketel

Ketel pada dasarnya terdiri dari drum yang tertutup pada ujung

pangkalnya dan dalam perkembanganya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa

air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang

(14)

Dalam hal ini ketel diklasifikasikan dalam kelas yaitu :

1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka ketel diklasifikasikan

sebagai :

a. Ketel pipa api (Fire tube boiler), fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala yang membawa energi panas yang segera

mentransfernya ke air ketel melalui bidang pemanas.

b. Ketel pipa air (Water tube boiler), fluida yang mengalir dalam pipa adalah air, energi panas ditransferkan dari luar pipa ke air ketel.

2. Berdasarkan pemakaiannya, ketel dapat diklasifikasikan sebagai :

a. Ketel Stasioner (stasionary boiler) yaitu ketel-ketel yang didudukan diatas pondasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga,

industri dan lain-lain.

b. Ketel Mobil (Mobile boiler) yaitu ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindah-pindah seperti boiler lokomotif dan loko mobil.

Gambar 2.1 ketel lokomotif dan loko mobile

(15)

a. Ketel dengan pembakaran dalam (internally fired steam boiler), kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini.

b. Ketel dengan pembakaran luar (outternally fired steam boiler), kebanyakan ketel pipa air memakai system ini.

4. Menurut jumlah lorong (boiler tube), ketel diklasifikasikan sebagai :

a. Ketel dengan lorong tunggal (single tube steam boiler). Pada ketel ini hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau

saluran air saja contoh : Cornish boiler dan simple vertical boiler.

b. Ketel dengan lorong ganda (multi tube steam boiler). Misalnya ketel B dan W.

Gambar 2.2 ketel B dan W

5. Tergantung kepada poros tutup drum (shell), ketel diklasifikasikan sebagai : a. Ketel tegak (vertikal steam boiler), seperti Ketel Cochran, Clarkson. b. Ketel mendatar (harizontal steam boiler), seperti ketel Cornish,

(16)

Gambar 2.3 ketel Scotch.

6. Menurut bentuk dan letak pipa, ketel uap diklasifikasikan sebagai :

a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok dan berlekuk (straight, bent and sinous tube heating surfance).

b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring–tegak (harizontal, inclined or vertical tube heating surface).

7. Menurut sistem peredaran air ketel (water sirkulation), ketel uap diklasifikasikan sebagai :

a. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler), peredaran air dalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan

naik sedangkan air yang berat turun, sehingga terjadi konveksi

(17)

b. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler), aliran paksa diperoleh dari sejumlah pompa sentrifugal yang

digerakan dengan elektrik motor. Contoh La-mont boiler, Benson

boiler, Loeffer boiler dan Vencal boiler.

Gambar 2.4 Ketel Benson

8. Tergantung kepada sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai :

a. Ketel dengan bahan bakar alami

Contoh dari bahan bakar alami adalah bahan bakar kayu (wood), sekam padi (rice husk), serutan kayu (sawdust), batubara coklat (lignite), batubara bituminous (seperti aspal), batubara jenis antrasit (antrasite coal).

b. Ketel dengan bahan bakar buatan.

(18)

c. Ketel dengan dapur listrik

Ketel dengan dapur listrik yaitu ketel dengan menggunakan energi listrik

dimana terdapat elemen pemanas sebagai pemanas air ketel.

d. Ketel dengan energi panas.

Energi panas yang diperoleh dapat berupa energi panas matahari ataupun

energi panas bumi.

II. 3 Susunan umum dari Ketel

Supaya konstruksi dari ketel dapat dipahami betul-bentul, haruslah

diketahui sifat-sifat dari uap dan pristiwa pembentukan pada uap, dalam

bentuknya yang sederhana , dapat dimisalkan ketel uap sebagai tong logam yang

sebahagian berisi dengan air. Air merupakan fluida yang sukar untuk merambat

panas, sehingga dengan demikian perpindahan panas didalam air yang ada didalan

ketel uap hampir berlangsung secara konveksi. Bila didalam sebuah tempat

terdapat air dingin didalamnya, yang kemudian dipanasi pada bagian bawahnya

maka air akan menjadi panas. Air menjadi panas karena berat jenisnya menjadi

berkurang, maka akan naik keatas. Dibekas tempatnya akan digantikan oleh air

dingin dibagian atas, yang berat jenisnya lebih besar dibandingkan dengan air

panas tersebut. Air yang tidak turut beredar dalam ketel dinamai air yang tidak

bersirkulasi, jadi temperatur air ini tidak secepat air yang beredar naiknya. Ini

dapat membahayakan bagi ketel karena dinding ketel juga tidak akan rata panas.

Pemuaian ketel tidak sama dan karena ini mungkin terjadi tekanan-tekanan yang

(19)

Gambar 2.5 Air yang tidak bersirkulasi

Gambar 2.5 memperlihatkan bagai mana pengaruh letak pemanas pada

peredaran air. Ketika seluruh temperatur air 100 ºC, gelembung-gelembung uap

yang dibentuk dalam seluruh zat cair, sampai pada permukaan dan lepas dari zat

cair, karena tong ini terbuka, uap yang terbentuk lepas keluar melalui bahagian

yang terbuka. Dikatakan sekarang air mendidih. Jadi mendidih adalah suatu

peristiwa dimana pembentukan uap terjadi didalam seluruh massa zat-cair.

Titik didih dari suatu zat cair tergantung kepada tekanan yang dilakukan

pada permukaan zat cair. Pada tong yang terbuka, tekanan udara luar yang

dilakukan pada permukaan air, besarnya 1 atmosfer (1,0332 kg / cm2) pada

tekanan ini air mendidih pada 100 ºC, kalau tekanan lebih besar dari 1 atm

umpamanya 5 kg / cm2, air akan mendidih pada temperatur 151,1 ºC. Bila tekanan

rendah dari 1 atm , umpamanya 0,12575 kg / cm2 air mendidih pada temperatur 50

ºC. Kalau pada gambar 2.5 diteruskan pemanasan sesudah air sesampai kepada

titik didihnya akan terjadi bahwa temperatur air tidak akan lebih 100 ºC. Untuk

mengubah 1 kg air dari 100 ºC air menjadi 100 ºC uap perlu 537 kilo kalori

(20)

II.4 Dasar-dasar Perhitungan Kekuatan Konstruksi.

Didalam pengoperasian ketel, terdapat bagian-bagian yang harus menahan

tekanan yang ditimbulkan oleh uap yang bertekanan. Bagian-bagian ini harus

diamati secara tepat agar dapat menerima beban tekanan cukup kuat.

Kekuatan bahan harus diperhitungkan sesuai dengan kondisi operasi yang

akan berlangsung, untuk itu penilaian bahan yang akan digunakan harus

benar-benar diteliti untuk memberikan informasi yang akurat serta perangkat peralatan

pengaman yang menjamin bahwa ketel tersebut bekerja pada kondisi yang telah

diperhitungkan.

II.4.1 Perhitungan tebal dinding plat

Dimana perhitungan tebal dinding plat dapat ditentukan dari rumus

dibawah ini : Gaya tekan diperoleh dari :

2 4di

p pA

F    ...(2.2)

Sehingga untuk tebal plat (mm) :

(21)

II.4.2 Perhitungan kekuatan baut dan mur

Baut dan mur merupakan alat pengikat atau penggerak yang sangat

penting. Dalam gambar 2.6 diperlihatkan macam-macam kerusakan yang dapat

terjadi pada baut.

gambar 2.6 macam-macam kerusakan pada baut

Untuk menentukan ukuran baut dan mur, berbagai faktor yang harus

diperhatikan seperti gaya yang bekerja pada baut, syarat kerja, kekuatan bahan,

kelas ketelitian dan lain-lain. Adapun gaya-gaya yang bekerja pada baut dapat

berupa :

i) Beban statis aksial murni

ii) Beban aksial, bersama dengan beban puntir

iii) Beban geser

iv) Beban tumbukan aksial

Dalam hal ini persamaan yang berlaku adalah :

2 1 4d

F

t _

  ...(2.3)

dimana F (kg) adalah beban tarik atau tekan pada baut, _t adalah tegangan tarik

(22)

baut yang mempunyai diameter luar d.umumnya diameter inti d10,8dsehingga

dari persamaan 2.3 dan 2.4 maka :

izin

harga _izin tergantung pada macam bahan yaitu SS, SC atau SF. Jika difinising

faktor keamanannya dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya

8-10.

Bila jumlah ulir n dan tinggi mur h maka dapat dihitung dari persamaan berikut :

izin

Dalam konstruksinya bagian ujung tabung ditutup dengan penutup dimana

sambungan antara penutup dengan dinding tabung digunakan sebuah baut. Maka

gaya tarik yang terjadi pada baut adalah :

n F

F_baut  uap ...(kg)

(23)

Sementara Fbaut dapat diperoleh dari :

Ab

F_baut _izin  ...(kg)

Dimana : Ab = luas penampang baut (mm2)

_izin = tegangan izin baut (kg / mm2)

Jadi jumlah baut (n) :

Ab F n

izin uap

 

 ...(2.8)

II. 5 Perpindahan Kalor dalam Instalasi Uap

Didalam ketel terdapat perpindahan kalor dari sumber panas terhadap

bidang pemanas, dari bidang pemanas dihantarkan lagi ke air secara konveksi.

Pindahan kalor secara konduksi dari sebahagian panas diabaikan.

II.5.1 Perpindahan Kalor Konveksi

Sudah umum diketahui bahwa plat logam panas akan menjadi dingin lebih

cepat bila ditaruh didepan kipas angin dibandingkan dengan bilamana

ditempatkan diudara tenang. Proses ini dinamakan Perpindahan-kalor secara konveksi. Perhatikan plat panas seperti pada gambar 2.7. Suhu plat ialah Tw, dan suhu fluida T~. Kecepatan aliran adalah seperti tergambar, yaitu nol pada muka plat sebagai akibat aksi kental (viscous action). Oleh karena kecepatan lapisan fluida pada dinding adalah nol, maka di sini kalor hanya dapat berpindah dengan

cara konduksi saja. Jadi kita dapat menghitung perpindahan kalor, yaitu dengan

persamaan (2.9), dengan menggunakan konduktivitas termal fluida dan gradien

suhu fluida pada dinding. Jadi, gradien suhu pada dinding bergantung dari medan

(24)

menghubungkan kedua besaran itu. Namun, perlu diingat bahwa mekanisme fisis

pada dinding itu berupa proses konduksi.

Guna menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh, digunakan

hukum Newton tentang pendinginan:

) ...(2.9) (Lit :4 hal:11) (  _

hA T T

q _w

Dimana : q = Laju pindahan kalor (W)

h = Koefesien pindahan kalor konveksi (W/m2 ºC)

A = Luas permukaan (m2)

Tw = Suhu plat (ºC)

T~ = Suhu fluida (ºC)

A r u s b e b a s T ~

D i n d i n g T w q

u u ~ A l i r a n

Di sini laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh

antara dinding dan fluida, dan luas permukaan A. Besaran h disebut koefisien perpindahan-kalor konveksi (convection heat-transfer coefficient), dan persamaan (2.9) itulah rumus dasarnya. Dapat dilakukan perhitungan analisis atas h untuk beberapa sistem.

Gambar 2.7 Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat

Untuk situasi yang rumit h harus ditentukan dengan percobaan. Koefisien perpindahan kalor kadang-kadang disebut konduktans film (film conductance)

karena hubungannya dengan proses konduksi pada lapisan fluida diam yang tipis

(25)

per persegi per derajat celcius. Dari pembahasan diatas, dapatlah diharapkan

bahwa perpindahan kalor konveksi bergantung pada viskositas fluida.

Jika suatu plat panas dibiarkan berada diudara sekitar tanpa ada sumber

gesekan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradien

densitas didekat plat itu. Peristiwa ini dinamakan Konveksi alamiah untuk membedakannya dengan konveksi paksa yang terjadi apabila udara itu dehembuskan diatas plat itu dengan kipas

Tabel 2.1 Nilai kira-kira koefesien perpindahan kalor konveksi

h bujur sangkar 0,2 m

Aliran udara 35 m/s diatas plat bujur sangkar 0,75 m

Udara 2 atm mengalir didalam tabung diameter 2,5 cm, kecepatan 10 m/s

Air 0,5 kg/s mengalir di dalam tabung 2,5 cm

Aliran udara melintas silinder diameter5cm,kecepatan50m/s

Air mendidih

Dalam kolam atau bejana Mengalir dalam pipa

(26)

II.5.2 Perpindahan Kalor Konduksi

Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu (Temperatur Gradient), maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi

kebagian bersuhu rendah. Dapat dikatakan bahwa energi berpindah secara

konduksi berbanding dengan gradien suhu normal :

x T A q

 

~ ...(2.10)

Jika dimasukkan konstanta proposionalitas atau tetapan kesebandingan, maka :

x T KA q

  

 ...(2.11)

Dimana q adalah laju perpindahan kalor dan

x T



 _{merupakan gradien suhu ke arah}

perpindahan kalor. Konstanta positif k disebut konduktifitas thermal benda, sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum thermodinamika, yaitu

bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah. Pada persamaan (2.10) disebut

juga hukum Fourier tentang konduksi kalor, yaitu menurut nama ahli matematika

fisika bangsa Perancis, Joseph Fourier yang telah memberi sumbangan yang

sangat penting dalam pengolahan analisis masalah perpindahan kalor konduksi.

II.5.2.1 Bidang Silinder

Perhatikan suatu silinder panjang dengan jari-jari dalam ri, jari-jari luar rO, dan panjang L, seperti pada gambar 2.8. Silinder mengalami beda suhu Ti- To. Untuk silinder yang panjangnya sangat besar dibandingkan dengan diameternya,

dapat diandaikan bahwa aliran kalor berlangsung menurut arah radial, sehingga

(27)

ri

Fourier digunakan lagi dengan menyisipkan rumus luas yang sesuai. Luas bidang

dalah aliran kalor dalam sistem silinder a

rL A_r 2

Sehingga hukum Fourier menjadi

dr dT kA q_r  _r

bar 2.8 Aliran kalor sa

listriknya

Gam tu-dimensi melalui silinder bolong dan analogi

dr

Penyelesaian persamaan 2.12 adalah kondisi batas

(28)

T4

untuk dinding lapis rangkap

dinding datar. Untuk sistem

seperti pada gambar 2.8 penyelesaiannya adalah :

r_o = jari-jari luar silinder (m)

r_i = jari-jari dalam silinder (m)

Konsep tahanan thermal dapat juga digunakan

berbentuk silinder, seperti halnya dengan tiga lapis

C

Sistem berbentuk bola dapat ditangani

berfungsi sebagai jari-jari saja aliran kalornya menjadi :

sebagai suatu dimensi apabila suhu

o

Gambar 2.9 Aliran kalor satu-dimensi melalui penampang silinder dan analogi

listriknya

(29)

II.6 Konduktivitas Termal

Persamaan 2.9 merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal.

Berdasarkan rumus itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan

untuk menentukan nilai kondiktivitas termal berbagai bahan. Untuk meramalkan

konduktivitas termal zat cair dan zat padat ada teori-teori yang digunakan dalam

berbagai situasi tertentu. Mekanisme konduktivitas termal pada gas cukup

sederhana. Energi kinetik molekul ditunjukan oleh suhunya, jadi pada bagian

bersuhu tinggi molekul-molekul mempunyai kecepatan yang lebih tinggi dari pada

yang berada dibagian yang bersuhu rendah, molekul-molekul ini selalu berada

dalam gerakan acak saling bertumbukan satu sama lain dinama terjadi pertukaran

energi dan momentum. Jika suatu molekul bergerak dari daerah yang bersuhu

tinggi kedaerah yang bersuhu rendah, maka molekul itu akan mengangkut energi

konduktivitas termal beberapa bahan diberikan pada tabel 2.2

dibawah ini.

kebagian sistem suhu yang lebih rendah

(30)

Tabel 2.2 Konduktivitas Termal

Bukan logam Kuarsa

buk gergaji

(31)

BAB III

PERHITUNGAN KEKUATAN KONSTRUKSI KETEL BERTENAGA LISTRIK (ELECTRIC BOILER)

III.1 Perhitungan Tekanan Kerja Pada Dinding Ketel

Dinding ketel direncanakan dari pipa baja SC 42 dengan diameter luar 17

cm, tinggi 27 cm dan tebal plat 2 mm, dengan faktor keamanan 5, maka tekanan

kerja terhadap dinding ketel adalah :

Kekuatan tarik untuk bahan SC 42 = 42 kg/mm2 (Lampiran A)

4

Maka gaya tekan uap pada dinding ketel :

)

Tekanan uap maksimal adalah :

06297

III.2 Perhitungan Kekuatan Baut

Baut pengikat direncanakan dari baja cor SC 37 dengan ukuran baut 3/8

inchi

Kekuatan tarik untuk bahan SC 37 = 37 kg/mm2 (Lampiran A)

(32)

As = Luas penampang tutup slinder (mm2)

Jadi gaya tekan uap terhadap tutup slinder :

13

Gaya tarik yang terjadi pada sebuah baut :

Ab F_baut _izin 

Bila faktor keamanan direncanakan 5 maka :

4

Jadi jumlah baut yang dibutuhkan untuk menahan tekanan uap sebesar 6,297

kg/cm2 adalah :

Dalam hal ini jumlah baut dibuat 9 buah agar lebih aman.

III.3 Perhitungan kekuatan tabung penyimpan uap

Tabung ini adalah tempat penyimpanan uap dimana tekanan uap ini bisa

mencapai 0,33 sampai 2,01 kgf/cm2. Pad a percobaan pertama telah dibuat tabung

dari bahan kaca berukuran 10 cm × 10 cm × 15 cm dengan bahan sambungan

berupa lem silikon tetapi pada tekanan 0.5 kgf/cm2 tabung tersebut pecah, maka

untuk tabung berikutnya direncanakan dari tabung tempahan, tetapi tabung hanya

(33)

BAB IV

ANALISA PERPINDAHAN PANAS

IV.1 Laju Pindahan Panas Secara Konveksi

Pembahasan laju pindahan panas secara konduksi pada konstruksi ketel

bertenaga listrik (electric boiler) dalam karya akhir ini meliputi pada bagian dinding slinder. Pengukuran temperatur pada bagian luar slinder ketel dengan

menggunakan termometer infrared.

(34)

IV.1.1 Laju Pindahan Panas Pada Elemen Pemanas

Elemen pemanas dengan diameter 1 cm dengan panjang 75 cm, dari hasil

pengukuran bahwa panas yang dihasilkan mencapai 780 ºC. Suhu air didalam

silinder adalah 30 ºC, maka daya pemanasan secara konveksi dapat dihitung

sebagai berikut :

Suhu film adalah 405

2

Tf ºC = 678 K, sehingga sifat-sifat udara pada

temperatur 678 K adalah (Lampiran A)

β = 1/Tf = 1/678 = 0,001475 v = 62,844 × 10-6 m2/s

Perpindahan kalor atau daya yang diperlukan adalah

697

Jadi daya yang diperlukan adalah 393,697 Watt

IV.1.2 Laju Pindahan Panas Pada Silinder Ketel

Pada perhitungan laju pindahan panas pada silinder ketel ini akan dihitung

dari Volum air 3, 3,5, 4,5 dan 4,7 liter dengan temperatur pemanas 100,110, 120,

(35)

Tabel 4.1 Temperatur panas dinding ketel

Temp.Dinding (°C) Volume air

(L)

Temp. Akhir air (°C)

Temp. Uap

(°C) _{1 2 3}

Temp. rata-rata (°C)

(36)

Dari tabel diatas maka pindahan panas konveksi pada dinding ketel untuk 3 liter

air dengan temperatur pemanasan 100 ºC dapat dihitung :

Suhu film adalah 64,05

Tf ºC = 337,05 K, sehingga sifat-sifat

udara pada temperatur 337,05 K adalah (Lampiran A)

β = 1/Tf = 1/337,05 = 0,002967 v = 19,447 × 10-6 m2/s

Perpindahan kalor konveksi pada dinding ketel adalah

45

Dengan cara yang sama seperti diatas maka pindahan panas secara konveksi pada

3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter air dengan temperatur pemanasan 100, 110, 120, 130, 140

(37)

Tabel 4.2 Data hasil perhitungan pindahan panas secara konveksi pada dinding

ketel

Temp.Dinding (°C) Volume air

(L)

Temp. Akhir air (°C)

Temp. Uap

(°C) _{1 2 3}q konv

100 104 97,7 98,2 98,4 64.4536

110 116 109,5 109,8 110,3 78.2971

120 122 118,8 119,2 119,7 89.6243

130 134 129 129,2 130,1 102.203

140 145 138 138,8 139,2 113.782

3

150 152 149,2 149,6 149,8 127.652

Volume air Temp. Akhir Temp. Uap Temp.Dinding (°C)

(L) air (°C) (°C) 1 2 3 q konv

100 107 98,75 99,6 100 66.0184

110 112 109,4 109,7 110,1 78.078

120 120 119,2 119,6 120,2 90.1545

130 135 128,7 129 129,8 101.871

140 142 137,7 138,3 139,2 113.426

3.5

150 154 146,3 147 148,1 124.551

(L) air (°C) (°C) 1 2 3 q konv

100 102 99,8 101 101,6 67.5894

110 110 109,2 109,5 109,8 77.859

120 122 119 119,8 120,2 90.1545

130 130 128,9 129,5 130 102.244

140 140 138,8 139,4 139,7 114.583

4

150 150 149,4 149,7 149,8 127.781

(L) air (°C) (°C) 1 2 3 q konv

100 102 99,8 99,6 101 66.8128

110 114 109,8 110 110,4 78.5363

120 122 119,5 119,7 119,8 90.1545

130 134 129,8 130,2 130,4 103.074

140 140 139 139,5 139,9 114.794

4.5

150 152 150,2 150,4 150,7 128.812

(L) air (°C) (°C) 1 2 3 q konv

100 102 99,2 99,4 100 66.1152

110 112 109,8 110,1 110,4 78.5762

120 122 119 119,5 119,8 89.869

130 130 128,8 129,5 129,6 102.037

140 140 139,2 139,4 140 114.879

4.7

(38)

 Pada temperatur pemanasan air sampai 100 ºC, Pindahan panas konveksi yang

terbentuk pada volum 3 liter adalah yang paling sedikit yaitu 64,4536 Watt.

Dan pindahan panas konveksi yang paling besar adalah pada volum 4 liter

yaitu 67,5894 Watt.

Dan pindahan panas konveksi yang paling besar adalah pada volum 4,7 liter

yaitu 78,57 Watt.

Dan pindahan panas konveksi yang paling besar adalah pada volum 3,5, 4,

dan 4,5 liter yaitu 90,1545 Watt.

terbentuk pada volum 3,5 liter adalah yang paling sedikit yaitu 101,871 Watt.

yaitu 103,074 Watt.

yaitu 114,879 Watt.

(39)

Pindahan panas konduksi bergantung kepada temperatur, semakin tinggi

temperatur maka pindahan panasnya semakin tinggi. Secara keseluruhan untuk

tiap liternya selisih pindahan panasnya tidak terlalu jauh hanya 1 sampai 2 Watt.

Jadi dapat dikatakan pindahan panas konveksi untuk tiap liter percobaan adalah

sama. Pindahan panas konveksi tidak bergantung kepada banyaknya volume air.

100

Q konveksi ( att)

Te

Gambar 4.1 Grafik pindahan panas konveksi untuk tiap volume air

4.2 Laju Pindahan Panas Secara Konduksi Dinding Ketel

Data temperatur panas dinding ketel dapat dilihat pada tabel 4.1, maka dari

data tersebut besarnya laju perpindahan panas secara konduksi yang terjadi pada

dinding ketel pada volum 3 liter dengan temperatur pemanasan 100 ºC dapat

dihitung dengan persamaan:

(40)

T_i= 102 ºC

=11942,22 Watt

Dengan cara yang sama seperti diatas maka pindahan panas secara konduksi pada

3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter air dengan temperatur pemanasan 100, 110, 120, 130, 140

dan 150 ºC dapat dihitung dan dilihat dalam tabel 4.3.

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan pindahan panas konduksi pada dinding ketel

Volume air (L)

(41)

Volume air Temp. Akhir Temp. Uap Temp.

(L) air (°C) (°C) rata-rata (°C) q kond

100 102 100,80 612,4218

110 110 109,50 1531,054

120 122 119,67 4082,812

130 130 129,47 1633,125

140 140 139,30 2143,476

4

150 150 149,63 1122,773

100 102 100,13 2653,828

110 114 110,07 5920,077

120 122 119,67 4082,812

130 134 130,13 5715,937

140 140 139,47 1633,125

4.5

150 152 150,43 1735,195

100 102 99,53 4491,093

110 112 110,10 2755,898

120 122 119,43 4797,304

130 130 129,30 2143,476

140 140 139,53 1428,984

4.7

150 150 149,63 1122,773

 Pada temperatur pemanasan air sampai 100 ºC, Pindahan panas konduksi yang

Dan pindahan panas konduksi yang paling besar adalah pada volum 3.5 liter

yaitu 12401,54 Watt.

Dan pindahan panas konduksi yang paling besar adalah pada volum 3 liter

(42)

Dan pindahan panas konduksi yang paling besar adalah pada volum 3,5 liter

terbentuk pada volum 4,7 liter adalah yang paling sedikit yaitu 1428,984Watt.

Dan pindahan panas konduksi yang paling besar adalah pada volum 3.,5 liter

Pada perpindahan panas secara konduksi dapat dilihat bahwa perpindahan

panas konduksi tidak normal pada temperatur 100 ºC perpindahan panasnya tinggi

kemudian pada temperatur 110 ºC pindahan panasnya menurun, kemudian naik

kembali pada temperatur 120 ºC dikarenakan perbedaan temperatur didalam dan

diruang dinding ketel yang naik turun untuk tiap kenaikan temperatur.

Perbedaanya dapat mencapai 91,77 % (Diambil nilai yang maksimal) secara

(43)

100 110 120 130 140 150 160

500 5500 10500 15500

Q konduksi (Watt)

Te

m

p

3 Liter

3.5 Liter 4 Liter

4.5 Liter

4.7 Liter

(44)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan perencanaan konstruksi ketel bertenaga (Electric Boiler)

dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Penentuan ukuran-ukuran utama dari ketel bertenaga listrik :

Dinding ketel

Bahan : Pipa baja SC 42

Diameter : 17 cm

Panjang : 27 cm

Tebal : 2 mm

Tekanan uap maksimal : 6,297 kg/cm2

Baut

Bahan : Baja cor SC 37

Ukuran : W 3/8

Jumlah : 9 Buah

Tabung penyimpan uap

Bahan : kaca

Tekanan maksimal : 0.5 kgf/cm2

Kapasitas maksimal : 16 gram uap

Untuk ukuran yang lain adalah penyesuaian terhadap bentuk konstruksi dan

(45)

2. Untuk pindahan panas secara konveksi pada keseluruhan percobaan hampir

dikatakan memiliki nilai yang sama. perbedaannya tidak terlalu jauh sekitar

1 sampai 2 watt.

3. Pindahan panas secara konveksi tidak bergantung kepada volume air tetapi

bergantung pada temperatur yang dihasilkan.

4. Untuk pindahan panas secara konduksi terjadi pindahan panas yang tidak

normal. Pindahan panasnya naik turun untuk tiap kenaikan temperatur.

Perbedaanya dapat mencapai 91,77 % (Diambil nilai yang maksimal)

secara keseluruhan pengujian.

V.2 Saran

1. Untuk mendukung kelancaran dan akurasi hasil pengujian sebaiknya dilakukan

pemeriksaan dan kalibrasi terhadap instrumentasi dan alat ukur setiap kali

(46)

DAFTAR PUSTAKA

1. Chatae, Ketel Uap dan Kelengkapanya, Pradnya Paramitha, Jakarta, 1975.

2. Daryanto, Teknik Pesawat Tenaga, Bumi Aksara, Jakarta, 1987.

3. Djokosetyardjo, Pembahasan Lebih Lanjut Tetang Ketel Uap, Pradnya

Paramitha, Jakarta, 1990.

4. Holman, J.P. Perpindahan Kalor. Edisi ke-6. Erlangga. Jakarta. 1988

5. Sularso, Suga, Kiyokatsu, Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin,

(47)

LAMPIRAN A

Daftar A-1 Kekuatan tarik baja karbon cor

Daftar A-2 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer

T (K) v (m²/s) k (W/m ºC) Pr

100 1.923E-06 0.009246 0.77 150 4.343E-06 0.013735 0.753 200 7.49E-06 0.01809 0.739 250 1.131E-05 0.02227 0.722 300 1.569E-05 0.02624 0.708 350 2.076E-05 0.03003 0.697 400 0.0000259 0.03365 0.689 450 3.171E-05 0.03707 0.683 500 0.0000379 0.04038 0.68

550 4.434E-05 0.0436 0.68

600 5.134E-05 0.04659 0.68 650 5.851E-05 0.04953 0.682 700 6.625E-05 0.0523 0.684 750 7.391E-05 0.05509 0.686 800 8.229E-05 0.05779 0.689 850 9.075E-05 0.06028 0.692 900 0.0000993 0.06279 0.696 950 0.0001082 0.06525 0.699 1000 0.0001178 0.06752 0.702

(48)

Daftar A-3 Konstanta untuk permukaan isotermal

Geometri Grf Prf C m

10-1 - 104 Gunakan Daftar A-4 Gunakan Daftar A-4

104 - 109 0,59 ¼

109 - 1013 0,021 2/5

Bidang dan silinder vertikal

109 - 1013 0,10 1/3

0 – 10-5 0,4 0

10-5 - 104 Gunakan Daftar A-5 Gunakan Daftar A-5

104 - 109 0,53 ¼

109 - 1012 0,13 1/3