Pengujian Dan Analisa Ketel Uap Bertenaga Listrik (Electric Boiler) Dengan Daya Elemen Pemanas 750 Watt

(1)

KARYA AKHIR

PENGUJIAN DAN ANALISA KETEL UAP

BERTENAGA LISTRIK (ELECTRIC BOILER)

DENGAN DAYA ELEMEN PEMANAS 750 WATT

DEVIN BARUS 035202050

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 ““PENGUJIAN DAN ANALISA KETEL

UAP BERTENAGA LISTRIK DENGAN DAYA ELEMEN PEMANAS 750

WATT.

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. Tulus Burhanuddin S, ST. MT, sebagai Dosen Pembimbing penulis

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

Mekanik Industri Program Diploma-IV, FT-USU.

3. Bapak Terang UHSG, ST, MT selaku Koordinator Lab. DIPA USU, yang

sudah banyak memberikat kesempatan untuk memakai rungan dan fasilitas

Lab

4. Ayah dan Mama’ tercinta yang senantiasa memberikan dukungan

semangat dan materi serta mendoakan penulis.

(3)

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

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

7. Rekan satu tim dalam penelitian Karya Akhir M. Kelana.

8. Rekan mahasiswa Koko wiradinata, SST yang sudah banyak membantu.

9. 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

U

DEVIN BARUS

0B

(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 dan Mamfaat Pengujian ... 3

1.3. Sistematika Penulisan ... 3

1.4. Batasan Masalah ... 4

1.5 Metode Pengujian ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiler)... 6

2.2. Klasifikasi Ketel... 7

2.3. Pembentukan Uap ... 13

2.3.1 Jenis-jenis Uap ... 14

2.4 Susunan umum dari Ketel-ketel Uap ... 16

2.5 Effisiensi Ketel... 17

(5)

BAB III PROSEDUR PENGUJIAN

3.1. Tempat dan waktu pengujian ... 19

3.2 Pengujian terhadap ketel bertenaga listrik (electric boiler) ... 19

3.2.1 Alat... 19

3.3 Prosedur pengujian... 21

BAB IV HASIL DAN ANALISA 4.1 Hasil dan Analisa banyak uap per menitnya... 23

4.2 Hasil dan Analisa kebutuhan energi untuk penguapan ... 28

4.3 Hasil dan Analisa tekanan dan temperatur uap... 31

4.4 Hasil dan Analisa effisiensi ketel... 34

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 37

5.2 Saran... 38

DAFTAR PUSTAKA ... 39

(6)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiling) ... 7

Gambar 2.2 Ketel lokomotif dan loko mobile ... 8

Gambar 2.3 Ketel B dan W ... 9

Gambar 2.4 Ketel Scotch. ... 10

Gambar 2.5 Ketel Benson ... 11

Gambar 2.6 Ketel uap bertenaga listrik... 12

Gambar 2.7 Air yang tidak bersirkulasi ... 13

Gambar 3.1 Alat penimbang ... 19

Gambar 3.2 Temperatur air dan Temperatur uap... 20

Gambar 3.3 Pengukur tekanan uap ... 20

Gambar 3.4 Ketel uji ... 21

Gambar 3.5 Diagram alir pengujian terhadap ketel bertenaga listrik (electric boiler) ... 22

Gambar 4.1 Grafik perbandingan temperatur pemanas dengan banyak uap . 26 Gambar 4.2 Grafik perbandingan Volume air dengan pembentukan uap/10ºC 27 Gambar 4.3 Grafik perbandingan temperatur pemanas dengan energi... 30

(7)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1 Data tekanan uap, waktu dan massa uap pada percobaan sampai

temperatur pemanas sampai 100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC. 23

Tabel 4.2 Data hasil perhitungan banyaknya uap air yang terbentuk. ... 24

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan kebutuhan energi untuk penguapan ... 28

Tabel 4.4 Data tekanan uap dan temperatur uap dari percobaan ... 31

(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 priodik 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)

1.2 Tujuan dan ManfaatPengujian

Tujuan dari pengujian yaitu :

1. Mengetahui banyaknya air yang menguap perjamnya

2. Mengetahui jumlah energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air per kg air.

3. Untuk mengetahui tekanan dan temperatur dari uap yang dihasilkan ketel

bertenaga listrik..(Electric Boiler)

4. Mengetahui Keefesiensian ketel bertenaga listrik..(Electric Boiler).

Manfaat dari pengujian :

1. Mengetahui kelebihan dan kekurangan dari ketel bertenaga listrik

(Electric Boiler).

2. Sebagai tambahan referensi bagi dunia pendidikan perguruan tinggi dan badan–

badan / instansi terkait.

1.3 Sistematika Penulisan

Di dalam karya akhir ini akan di bahas mengenai pengujian terhadap

ketel bertenaga listrik (Electric Boiler). Adapun sistematis penulisan karya akhir

ini adalah sebagai berikut:

Bab 1. Pendahuluan. Pada bab ini akan dibahas mengenai Latar

Belakang, Tujuan dan Manfaat Pengujian, Sistematis Penulisan, Batasan Masalah

dan Metode Pengujian.

Bab II. Tinjauan Pustaka. Pada bab ini akan dibahas mengenai

pengertian tentang ketel bertenaga listrik (Electric Boiler), klasifikasi ketel, uap

dan pembentukan uap, jenis-jenis uap air, susunan umum dari ketel uap dan

(12)

Bab III. Prosedur Pengujian. Bab ini memberikan informasi mengenai

tempat dan waktu pelaksanaan pengujian, bahan dan peralatan yang dipakai serta

tahapan dan prosedur pengujian.

Bab IV. Hasil dan Analisa Pengujian. Bab ini membahas tentang hasil

data yang diperoleh dari setiap pengujian melalui pembahasan perhitungan dan

penganalisaan dengan memaparkan kedalam bentuk tabel dan grafik.

Bab V. Kesimpulan. Pada bab ini akan memaparkan kesimpulan dari

analisa beberapa pengujian..

Daftar Pustaka. Referensi yang mendukung karya akhir ini akan secara

lengkap disajikan untuk kemudahan dalam mencari data maupun bahan kajian

berikutnya.

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.

1.4 Batasan Masalah

Dalam penulisan karya akhir ini, pembahasan dibatasi sebagai berikut :

1. Analisa banyaknya uap yang terbentuk perjamnya

2. Analisan kebutuhan energi untuk menguapkan air.

(13)

1.5 Metode Pengujian

Metode yang dilakukan dalam pengujian yaitu yang pertama dengan menguji

banyaknya uap yang dihasilkan kemudian yang kedua menguji kebutuhan energi

untuk menguapkan air dan yang terakhir menguji berapa tekanan dan temperatur

(14)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiler)

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 diperoleh

dari elemen pemanas 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

(15)

Gambar 2.1 Ketel Bertenaga Listrik (Electric Boiling)

2.2 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

masing-masing.

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

(16)

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 2.2 Ketel lokomotif dan loko mobile

3. Berdasarkan letak dapur (Furnace position), ketel uap diklasifikasikan sebagai

berikut :

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

(17)

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

B dan W.

Gambar 2.3 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,

(18)

Gambar 2.4 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),

(19)

naik sedangkan air yang berat turun, sehingga terjadi konveksi

secara alami. Contoh ketel Lancarshire, ketel B &W

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 2.5 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

(20)

b. Ketel dengan bahan bakar buatan.

Contoh dari bahan bakar buatan adalah bahan bakar arang kayu (wood

charcoal), kokas (coke), briket (briquette), ampas (misal serabut kelapa

sawit atau ampas tebu)

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.

(21)

2 3 Pembentukan Uap

Supaya konstruksi dari ketel uap 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 bada bagian bawahnya

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

berkurang, maka akan naik keatas. Pada bagian bawah akan digantikan oleh air

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

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

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

Ini dapat membahayakan bagi ketel karena air didalam ketel tidak akan merata

panasnya. Pemuaian ketel tidak sama dan karena ini mungkin terjadi

tekanan-tekanan yang besar dalam pelat-pelat ketel ataupun pada

sambungan-sambungannya.

(22)

Gambar 2.7 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 50ºC.

2.3.1 Jenis-jenis Uap

Uap yang terbentuk ada tiga jenis yaitu :

a. Uap basah

b. Uap kering

c. Uap adi panas

Uap basah dan kering

Uap basah adalah uap yang mengandung air. Bila 1 kg uap basah terdiri

dari : - mu kg/kg uap kering

- mw kg/kg air, maka dinyatakan bahwa kadar uap tersebut :

ms X



(23)

XL h

h_sat  _w  ...(kJ/kg)

Dimana: hsat = enthalpi uap saturasi (kJ/kg)

ha = enthalpi air permulaan (kJ/kg)

L = panas laten (kJ/kg)

Untuk uap saturasi kering , maka

L h

h_sat  _a  ...(kJ/kg)

Entalpi uap adi panas

...(kJ/kg)

= temperatur uap superheater (ºC)

sup

t

sat

t = temperatur uap saturasi (ºC)

Kenaikan entropi selama penguapan

Bila air menguap dengan sempurna, maka dia menyerap seluruh panas

laten L pada temperature T (K) yang konstan. Maka kenaikan entropi selama

peristiwa penguapan :

T L

sl  ...(kJ / kg ºC)

sl = entropi selama penguapan (kJ / kg ºC)

bila uap basah dengan kadar X maka :

T XL

sl  ...(kJ / kg ºC)

(24)

Sbasah = s +

Kenaikan entropi uap kering :

Skering = s +

2 4 Susunan umum dari Ketel-ketel Uap

Ketel uap adalah pesawat untuk mengubah air yang mengisi sebahagian

dari ketel, menjadi uap dengan jalan pemanasan. Kekuatan ketel uap bergantung

kepada material dari ketel. ketel yang kuat terhadap tekanan dari dalam adalah

ketel bulat cembung, karena ketel ini tidak dapat diubah oleh tekanan dari dalam.

Akan tetapi konstruksinya amat sulit dikerjakan. Jadi ketel bulat cembung tidak

dipakai untuk ketel-ketel uap, walaupun bagian-bagian ketel setengah bulat

cembung ada juga dipakai sesekali.

Dinding-dinding yang datar tidak begitu kuat menahan tekanan yang

besar, karena itu jarang digunakan.

Bahan untuk ketel haruslah mempunyai kualitas yang bagus, karena

bekerja dalam temperatur yang sangat tinggi, ketel ini harus dapat menahan

tenaga-tenaga yang besar. Berhubung dengan ini dipakai orang sebagai bahan

untuk ketel uap adalah baja Siemens-martin yang liat, amat kuat dan mudah

dikerjakan. Tiap-tiap ketel uap pada waktu membuatnya haruslah berada dibawah

pengawasan pegawai-pegawai dari jawatan uap. Para pegawai akan memberikan

(25)

tembaga yakni kalau tekanan uap yang sebenarnya dalam ketel sebesar 20 kg /

cm2 atau temperatur tinggi 210 ºC, maka bahan tersebut akan kehilangan kekuatannya. Disamping syarat-syarat hukum, haruslah ketel dibuat sedemikian

rupa, sehingga sebanyak mungkin dari panas api dipindahkan kepada air-ketel.

Jadi dapat menghemat pemakaian bahan bakar.

Permukaan yang dipanaskan adalah jumlah luas seluruhnya dari

bagian-bagian yang dipanaskan oleh nyala api dan gas-gas asap dan pada sisi baliknya

bersinggungan dengan air-ketel. Pada permukaan yang dipanaskan yang besar,

gas-gas pembakaran yang panas lebih banyak mendapat kesempatan menyerap

panas kedinding-dinding ketel yang meneruskan panas kepada air.

Kehematan dari sebuah ketel uap, berhubung dengan pemakaian bahan

pembakaran, biasanya dinyatakan dengan kelipatan penguapan. Dengan kelipatan

penguapan dari sebuah ketel uap dimaksud jumlah banyak kg uap dari tekanan

yang dimestikan, yang dapat terbentuk dari persediaan, dengan 1 kg bahan bakar.

2.5 Effisiensi Ketel

Effisiensi ketel adalah perbandingan antara konsumsi panas dengan suplai

panas. Jadi effesiensi dapat dihitung dengan :

LHV

(26)

tetapi dalam ketel listrik effesiensi ketelnya menjadi :

2.6 Hubungan energi dengan daya listrik

Disini terjadi perubahan energi yaitu energi listrik menjadi energi kalor,

maka besarnya energi listrik dapat dicari dengan rumus :

...(2.3)

VIt

W 

Dimana : W = energi listrik (J)

V = Beda potensial (Volt)

I = Kuat arus (Ampere)

t = Waktu (sekon)

Sedangkan untuk daya listrik dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

...(2.4)

VI

P

Dimana : P = daya listrik (watt)

Dari persamaan 2.13dan 2.4 maka hubungan energi dengan daya listrik adalah :

(27)

BAB III

PROSEDUR PENGUJIAN

3.1 Tempat dan waktu pengujian

Pengujian eksperimental ini dilaksanakan di Laboratorium Prestasi Mesin

Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dengan

jangka waktu kurang lebih 1 (satu) bulan.

3.2 Pengujian terhadap ketel bertenaga listrik (electric boiler)

Dari pengujian ini nantinya dapat diketahui banyaknya uap yang dapat

terbentuk, tekanan dan temperatur dari uap yang dihasilkan, serta banyaknya

energi listrik yang dibutuhkan untuk menguapkan air.

3.2.1 Alat

1. Alat penimbang

Alat Penimbang dengan kapasitas kurang lebih 10 kg dan ketelitian 1 gr.

Alat ini digunakan untuk menimbang massa air.

(28)

2. Termometer

Termometer digunakan untuk mengukur temperatur air dan temperatur uap

air, dengan ketelitian 25 ºC untuk termometer air dan 10 ºC untuk

termometer uap air.

Gambar 3.2 Temperatur air dan Temperatur uap

3. Alat pengukur tekanan

Alat pengukur tekanan digunakan untuk mengukur tekanan uap yang

dihasilkan dengan satuan kg/cm2.

Gambar 3.3 Pengukur tekanan uap

4. Stopwatch

Stopwatch diggunakan untuk mencatat waktu yang dibutuhkan sampai air

mendidih atau sampai pada temperature yang diinginkan

5. Ketel uji

Ketel uji yang digunakan adalah ketel bertenaga listrik (electric boiler)

(29)

Gambar 3.4 Ketel uji

3.3 Prosedur pengujian

Dalam pengujian akan diuji dengan volume air 3, 3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter

Adapun prosedur pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut :

1. Mengisi ketel dengan air 3 liter air, tetapi sebelumnya dicatat temperatur dan

laju aliran air masuk ketel

2. Mengaliri elemen pemanas dengan arus listrik.

3. Mencatat lamanya elemen pemanas memanaskan air sampai temperatur 100,

110, 120 , 130, 140 dan 150ºC

4. Mencatat juga tekanan dan temperatur uap yang dihasilkan.

5. Mencatat sisa air pengisi ketel.

(30)

a

Mulai

Catat massa air (ma) gram

Catat temperatur air masuk ketel (Ta) ºC

Mengaliri elemen pemanas dengan arus listrik dan catat waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan air sampai temperatur 100,110, 120, 130, 140 dan 150 ºC.

Ketika air mencapai temperatur tersebut catat tekanan (P) dan Tempetaur uap (Tu)

Melakukan percobaan 3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter air Catat sisa air pengisi ketel

a

 Panas jenis Cp air = 4,186 J/g ºC

 Kalor laten L = 2260 J/g

 Volume air 1 Liter

 Temperatur udara 30 º C

Berhenti

(31)

(32)

BAB IV

HASIL DAN ANALISA

4.1 Hasil dan Analisa banyak uap per menitnya

Data hasil percobaan untuk 3, 3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter air untuk temperatur

pemanasan sampai dengan 100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC dapat dilihat pada

tabel 4.1

Tabel 4.1 Data tekanan uap, waktu dan massa uap pada percobaan sampai

temperatur pemanas sampai 100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC.

(33)

Volume air Temp. Air Temp. Air Tekanan Uap Waktu Massa Uap

Jadi untuk mengihitung banyaknya uap yang terbentuk per menitnya, untuk 3 liter

air sampai temperatur pemanasan 100 ºC adalah :

75

Dengan cara yang sama seperti diatas maka banyaknya uap yang terbentuk untuk

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

dan 150ºC dapat dihitung dan dilihat pada tabel 4.2.

Tabel 4.2 Data hasil perhitungan banyaknya uap air yang terbentuk.

(34)

100 0,50 65,17 225.00 3,45

 Pada temperatur pemanasan air sampai 100 ºC, banyak uap yang terbentuk

pada volume 3 liter adalah yang paling banyak yaitu 4,75 gram / menit. Dan

banyaknya uap yang paling sedikit adalah pada volume 4,7 liter yaitu 3,20

gram / menit.

(35)

gram / menit.

(36)

Persentase pembentukan banyaknya uap yang terbanyak ketika temperatur air

sampai 150 ºC pada volume air 4 liter yaitu 7,14 gram / menit dan yang terkecil

ketika temperatur air 100 ºC pada volume air 4,7 liter yaitu 3,20 gram / menit.

Besar kecilnya pembentukan banyaknya uap dipengaruhi oleh temperatur dan

waktu. Semakin tinggi temperatur, maka semakin besar pula pembentukan uap

yang dihasilkan.

Gambar 4.2 Grafik perbandingan Volume air dengan pembentukan uap/10ºC

Untuk keseluruhan pengujian maka pembentukan uap untuk tiap kenaikan 10

ºC yang dimulai dari temperatur 100 sampai 150 ºC pada volume 4 liter air adalah

yang paling tinggi yaitu 0,74 gram / menit untuk tiap kenaikan 10 ºC. Sedangkan

pada volume 3,5 liter adalah yang paling rendah yaitu 0,16 gram / menit untuk

tiap kenaikan 10 ºC. Tetapi jika dilihat untuk volume air 3 liter maka

pembentukan uapnya lebih tinggi yaitu 0,30 gram / menit untuk tiap kenaikan 10

ºC bila dibandingkan dengan volume air 3,5, maka disini terjadi kenaikan dan

penurunan pembentukan uap untuk tiap volume air pengujian, hal ini dipengaruhi

(37)

4.2 Hasil dan Analisa kebutuhan energi untuk penguapan

Elemen pemanas yang digunakan adalah dibuat dari tembaga berdiameter

1 cm dengan panjang 75 cm dibentuk melingkar dengan diameter 15 cm dan daya

750 Watt.

Dari tabel 4.1 maka dapat dihitung kebutuhan energi untuk 3, 3,5, 4, 4,5 dan 4,7

liter air dengan temperatur pemanasan 100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC.

Untuk 3 liter air dengan temperatur pemanasan 100 ºC

1895250

Dengan cara yang sama seperti diatas maka kebutuhan energi untuk menguapkan

air untuk 3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter dengan temperatur pemanasan air sampai dengan

100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC dapat dihitung dan dilihat pada tabel 4.3.

Tabel 4.3 Data hasil perhitungan kebutuhan energi untuk penguapan.

(38)

1 30 100 76,69 750 3451125

 Pada temperatur pemanasan air sampai 100 ºC, energi yang terbentuk pada

volume 3 liter adalah yang paling sedikit yaitu 1895250 Joule. Dan energi

yang paling besar adalah pada volume 4,7 liter yaitu 36585725 Joule.

yang paling besar adalah pada volume 4,7 liter yaitu 3844706,25Joule.

(39)

100

1500 2500 3500 4500

Energi (kJ)

yang paling besar adalah pada volume 4,5 liter yaitu 4648312,5 Joule.

Gambar 4.3 Grafik perbandingan temperatur pemanas dengan energi

Energi yang terbanyak ketika temperatur air sampai 150 ºC pada volume air

4,5 liter 4648312,5 Joule dan yang terkecil ketika temperatur air 100 ºC pada

volume air 3 liter yaitu 18925250 Joule.

Besar kecilnya energi tergantung pada lamanya pemanasan air dan volume air

Semakin lama pemanasan air maka temperatur air akan semakin naik, maka

semakin besar pula energi yang dibutuhkan.

Jika dilihat pada grafik 4.3 mulai dari temperatur 140 ºC untuk volume air 4,5

liter membutuhkan energi yang lebih besar bila dibandingkan dengan 4,7 liter

tetapi bedanya hanya 1,28 % karena pada temperatur 140 ºC uap yang terbentuk

untuk volume air 4,5 liter lebih sedikit sehingga massa airnya lebih

banyak.sehingga membutuhkan energi yang lebih besar untuk menaikkan

(40)

4. 3 Hasil dan Analisa tekanan dan temperatur uap

Tekanan dan temperatur uap pada 3, 3,5, 4, 4,5 dan 4,7 liter air untuk

temperatur pemanasan 100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC diperoleh dari hasil

percobaan dan dapat dilihat pada tabel 4.4

Tabel 4.4 Data tekanan uap dan temperatur uap dari percobaan

Volume air

 Pada temperatur pemanasan air sampai 100 ºC, tekanan uap yang terbentuk

(41)

pada volume 3 liter adalah yang paling sedikit yaitu 0,665 kgf/cm2. Dan tekanan uap yang paling besar adalah pada volume 4,7 liter yaitu 0,90

kgf/cm2.

pada volume 3, 3,5, 4 dan 4,5 liter adalah yang paling sedikit yaitu 1 kgf/cm2. Dan tekanan uap yang paling besar adalah pada volume 4,7 liter yaitu 1,18

kgf/cm2.

pada volume 4,5 liter adalah yang paling sedikit yaitu 1,21 kgf/cm2. Dan tekanan uap yang paling besar adalah pada volume 4,7 liter yaitu 1,45

kgf/cm2.

pada volume 4,5 liter adalah yang paling sedikit yaitu 1,42 kgf/cm2. Dan tekanan uap yang paling besar adalah pada volume 4,7 liter yaitu 1,73

kgf/cm2.

pada volume 4,5 liter adalah yang paling sedikit yaitu 1,62 kgf/cm2. Dan tekanan uap yang paling besar adalah pada volume 3 dan 4,7 liter yaitu 2,01

(42)

100

Gambar 4.4 Grafik perbandingan temperatur pemanas dengan Tekanan uap

Tekanan terbesar terjadi pada temperatur pemanasan 150 ºC yaitu pada

volume air 3 dan 4,7 liter sedangkan tekanan terendah terjadi pada temperatur 100

ºC pada volume air 3 liter, jadi tekanan uap dipengaruhi oleh temperatur. Semakin

tinggi temperatur maka semakin tinggi tekanan yang dihasilkan.

Tetapi pada temperatur 120 ºC mempunyai tekanan yang sama untuk volume

air 3, 3,5, 4, dan 4,5 liter yaitu 1 kgf/cm2 bedanya hanya 1,5 % bila dibandingkan dengan volume air 4,7 liter pada temperatur yang sama karena ruang sisa untuk

uap yang dihasilkan lebih sedikit sehingga bila temperatur semakin naik maka

(43)

4.4 Hasil dan Analisa effisiensi ketel

Dari tabel 4.1 dapat dihitung effisiensi ketel untuk 3 liter dengan

temperatur pemanasan air sampai 100 ºC

23

Dengan cara yang sama seperti diatas maka effisiensi ketel untuk 3,5, 4, 4,5 dan

4,7 liter dengan temperatur pemanasan 100, 110, 120, 130, 140 dan 150ºC dapat

dihitung dan dilihat pada tabel 4.5

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan effisiensi ketel

(44)

 Pada temperatur pemanasan air sampai 100 ºC, effisiensi terbentuk pada volum

3 liter adalah yang paling besar yaitu 70,23 %. Dan effisiensi paling kecil

adalah pada volum 4,7 liter yaitu 53,70 %.

adalah pada volum 4,7 liter yaitu 60,34 %.

adalah pada volume 4 liter yaitu 64,30 %.

adalah pada volume 4,5liter yaitu 70,93 %.

adalah pada volume 3,5 liter yaitu 71,32 %.

 Pada temperatur pemanasan air sampai 150 ºC, effisiensi terbentuk pada

volume 4 liter adalah yang paling besar yaitu 83,94 %. Dan effisiensi paling

(45)

100

Gambar 4.5 Grafik temperatur pemanasan dengan effisiensi ketel

Effisiensi ketel yang tertinggi ketika temperatur air sampai 150 ºC pada

volume air 4 liter yaitu 83,94 % dan yang terkecil ketika temperatur air 100 ºC

pada volume air 4,7 liter yaitu 53,70 %

Besar kecilnya effisiensi ketel dipengaruhi oleh temperatur dan waktu.

Semakin tinggi temperatur, maka semakin besar pula effisiensi ketel yang

dihasilkan.

Grafik effisiensi ketel hampir sama dengan grafik banyaknya uap karena yang

mempengaruhi kenaikan effisiensi adalah sama dengan yang mempengaruhi

(46)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Pembentukan banyaknya uap dipengaruhi oleh temperatur dan waktu.

Semakin tinggi temperatur, maka semakin besar pula pembentukan uap yang

dihasilkan.

2. Pembentukan uap rata-rata adalah 0,46 gram/menit untuk keseluruhan

pengujian untuk tiap kenaikan 10 ºC yang dimulai dari temperatur 100 sampai

150 ºC.

3. Kebutuhan energi bergantung kepada lamanya pemanasan air dan volume air

Semakin lama pemanasan air maka temperatur air akan semakin naik, maka

semakin besar pula energi yang dibutuhkan.

4. Kebutuhan energi rata-rata untuk keseluruhan pengujian adalah 3470,89 kJ

5. Pada temperatur 140 ºC terjadi penyimpangan untuk kebutuhan energi pada

volume air 4,7 liter sekitar 1,28 % terhadap volume air 4,5 liter pada

temperatur yang sama dikarenakan pada temperatur 140 ºC uap yang

terbentuk untuk volume air 4,5 liter lebih sedikit sehingga massa airnya lebih

banyak.sehingga membutuhkan energi yang lebih besar untuk menaikan

temperatur.

6. Tekanan uap dipengaruhi oleh temperatur. Semakin tinggi temperatur maka

semakin tinggi tekanan yang dihasilkan. Tetapi pada temperatur 120 ºC

mempunyai tekanan yang sama untuk volume air 3, 3,5, 4, dan 4,5 liter yaitu 1

(47)

7. Effisiensi ketel dipengaruhi oleh temperatur dan waktu. Semakin tinggi

temperatur, maka semakin besar pula effisiensi ketel yang dihasilkan.

8. Effisiensi rata-rata keseluruhan adalah 70,26 %

9. Total biaya dengan menggunakan elemen pemanas 750 Watt untuk waktu

pemanasan air 103,30 menit (Waktu maksimal untuk 4,5 liter pemanasan

sampai temperatur 150º) adalah Rp. 697,275 (harga per kWh = Rp 540).

5.2 Saran

1. Untuk mendukung kelancaran dan akurasi hasil pengujian sebaiknya dilakukan

pemeriksaan dan kalibrasi terhadap instrumentasi dan alat ukur setiap kali

pengujian akan dilakukan.

2. Sebaiknya daya elemen pemanas dapat diperkecil agar dapat digunakan pada

(48)

DAFTAR PUSTAKA

1. Bailis Rob, Damon Ogle and Dean Still. The Water Boiling Test, Version 1.5.

Household Energy and Health Programme, Shell Foundation.

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

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

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

Paramitha, Jakarta, 1990.

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

6. Muin, Syamsiar A. Pesawat-pesawat Konversi Energi (Ketel uap). Rajawali

(49)

LAMPIRAN A

Daftar A-1 Faktor Konversi

Panjang : Energi :

Konversi ke Satuan SI

(50)

LAMPIRAN B

Daftar B-1 Data tekanan uap, waktu dan massa uap pada percobaan sampai temperatur pemanas sampai 100, 110, 120, 130, 140 dan 150 ºC.

(51)

(52)

(53)

(54)