PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 150 TON/JAM TUGAS AKHIR
BIDANG KONVERSI ENERGI Diajukan Kepada:
Universitas Muhammadiyah Malang
Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan Program Sarjana Teknik
Oleh : RIDO RIDWAN 201010120311053
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
ii
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Satu Syarat Memperoleh
Gelar Sarjana Teknik Mesin
Disusun oleh : Nama : Rido Ridwan NIM : 201010120311053
Yang telah disahkan oleh :
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
(Ir. Daryono, MT) NIP. 108.8909.0124 Dosen pembimbing I
(Ir. Hery Suprianto, MT) NIP. 108.8709.0049
Dosen pembimbing II
iii
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-21 Psw. 127
Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR
Nama : Rido Ridwan
Nim : 201010120311053
Bidang Keahlian : Konversi Energi
No. ST. Pem. TA : E.2 / 412 / FT/ UMM / XI / 2014
Judul : Perancangan ketel uap pipa air kapasitas 150 ton/jam Pembimbing I : Ir. Hery Suprianto, MT
No. CatatanAsistensi Paraf
Dosen pembimbing I 1 Konsultasi Bab I
2 Lanjut ke Bab II,tekanan diganti tekanan menengah
3 Konsultasi Bab II
4 Cara penulisan refrensi diperbaiki, lanjut ke Bab III
5 Konsultasi Bab IV
6 Cek data entalpi, lanjutkan perhitungan 7 Kesimpulan (Buat Gambar Rancangan) 8 ACC dan Semhas
Malang, 25 April 2015 Dosen pembimbing I
iv
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-21 Psw. 127
Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR
Nama : Rido Ridwan
Nim : 201010120311053
Bidang Keahlian : Konversi Energi
No. ST. Pem. TA : E.2 / 412 / FT/ UMM / XI / 2014
Judul : Perancangan ketel uap pipa air berkapasitas 150 ton/jam Pembimbing II : Ir. Ali Syaifullah, MT
No. CatatanAsistensi Paraf
Dosen pembimbing II 1 Konsultasi Bab I
2 Latar Belakang,Tujuan dan Rumusan masalah
3 ACC BAB I
4 Cek kembali sumber literature, gambar dan keterangan gambar
5 ACC Bab II
6 Konsultasi Bab III
7 Lanjutkan ke perancangan superheater 8 ACC Bab IV dan Semhas
Malang, 25 April 2015 Dosen pembimbing II
v
LEMBAR SURAT PERNYATAAN Yang bertandatangan dibawah ini :
Nama : Rido Ridwan
Nim : 201010120311053
Tempat/Tanggal Lahir : Malang, 3 Maret 1992
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Instansi : UniversitasMuhammadiyah Malang Dengan ini menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa :
Sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul “PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 150 TON/JAM” yang diajukan untuk memperoleh gelar sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan duplikasi (“PLAGIASI”) dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan/ atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Malang atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya kutipan dan daftar pustaka sebagaimana mestinya.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk digunakan sebagaimana mestinya.
Malang, 25 April 2015 Yang menyatakan,
vi
PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR DENGAN KAPASITAS 150 TON/JAM Rido Ridwan, Pembimbing I: Hery Suprianto Pembimbing II : Ali Syaifullah
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang
Jl. Raya Tlogomas No.246 Telp.(0341) 464318-128 Dax.(0341) 460782 Malang 65144
Abstrak
Salah satu energi yang dibutuhkan untuk menjawab tuntutan dari pertumbuhan industri adalah energi listrik. PLTU yang masih memungkinkan digunakan untuk sekarang ini dan untuk jangka panjang, dikarenakan masih ketersedianya bahan bakar danfaktor-faktor penunjang lainnya. PLTU menggunakan ketel uap dan turbin uap untuk menggerakkan generator listrik untuk menghasilkan energy listrik. Mengetahui berapa kebutuhan bahan bakar untuk menghasilkan uap kering berkapasitas 150 ton/jam dan berapa kalor yang dibutuhkan oleh komponen ketel uap seperti superheater, evaporator, air heater, ekonomiser.
Pada perancangan ketel uap akan dilakukan beberapa tahap perhitungan yang berguna untuk mendapatkan beberapa variable penunjang utama perancangan. Dengan menentukan berapa kapasitas uap yang akan dihasilkan maka bisa dihitung berapa kebutuhan bahan bakar dan jenis bahan bakar yang dipilih. Faktor penunjang perancangan lainnya yaitu menganalisis proses pembakaran dan perpindahan kalor dalam ketel uap. Setelah melakukan perhitungan dengan seksama maka bisa ditentukan berapa ukuran komponen-komponen utama ketel uap.
Hasil yang didapat untuk menghasilkan kapasitas uap sebesar 150 ton/jam bahan bakar yang diperlukan sebesar 150 ton/jam. Bahan bakar yang digunakan berupa batubara jenis gas-coal yang memiliki LHV = 6806 kkal/kg. Volume ruang bakar yang diperlukan untuk proses pembakaran sebesar 452 m³. Dalam merencanakan sebuah ketel uap, sebaiknya memperhatikan jenis ketel uap yang akan direncanakan serta ketel uap yang direncanakan dimanfaatkan untuk industri apa.
vii
PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR DENGAN KAPASITAS 150 TON/JAM Rido Ridwan, Pembimbing I: Hery Suprianto Pembimbing II : Ali Syaifullah
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang
Jl. Raya Tlogomas No.246 Telp.(0341) 464318-128 Dax.(0341) 460782 Malang 65144
Abstract
One of energy which required to respond demand of industri growth is electric energy. Steam Boiler power plan which still enable used today and for long term, because still availability fuel and another supporting factors. Steam boiler power plan used steam boiler and steam turbine drive generator for produce electric energy. To know how many fuel needed to produce superheated steam 150 ton/hour capacity and how many calor needed by boiler components like superheater, evaporator, air heater, and economiser.
Steam boiler Design will do several step calculations that useful to get some the main supporting variable design. By determine how much steam capacity to be produce it can be calculated how much fuel needs and selected fuel type. Other supporting factors of design is analyze burning proses and steam boiler heat transfers. After calculation by carefully then it could be select how much size of steam boiler main components.
The results obtained to produce steam 150 ton/hour capacity fuel needs amount 15 ton/hour. Fuel which used is gas-coal it has Low Heat Transfer (LHV) = 6806 cilocal/kg. The volume of combustor required for burning process amount 452 m³. Steam boiler design should notice type of steam boiler will be plan along utilized for what any industry.
viii
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji dan syuku rkepada kehadirat Allah SWT yang mana hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahNya laporan tugas akhir dengan judul “PERANCANGAN KETEL UAP PIPA AIR KAPASITAS 150 TON/JAM” ini akhirnya dapat terselesaikan.
Seiring penyusunan skripsi ini, terdapat hambatan dan rintangan yang dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ungkapkan terima kasih atas jasa baik yang selama ini telah diterima, baik nasehat, petunjuk, ide, saran, serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan sekripsi ini.Ungkapan terima ksi htersebut disampaikan kepada :
1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non materiil, mendo’akan, mengingatkan akan pesan - pesannya yang tak akan terlupakan.
2. Bapak Ir. Hery Suprianto. MT Selaku Dosen Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan serta arahan selama penyusunan skripsi ini dilakukan. 3. Bapak Ir. Ali Saifullah. MT. Selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan masukan ide, serta saran dan cara-cara penulisan sehingga terselesaikannya skripsi ini.
4. Bapak Ir. Daryono, MT. Selaku ketua jurusan teknik mesin UMM. 5. Bapak Budiono, SSi. MT. Selaku sekertaris jurusan teknik mesin UMM. 6. Bapak/Ibu Dosen yang telah bersedia memberikan bantuan berupa bimbingan
ix
7. Teman – teman sebimbingan, teman-teman seangkatan Teknik Mesin 2010 A, B, C dan D serta kepada seseorang yang selalu mendampingi saya dan selalu memberi semangat dalam proses pengerjaan skripsi ini.
8. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terima kasih banyak atas bantuan kalian semuannya.
Dalam penyusunan sekripsi ini tentunya terdapat kekurangan yang tidak terbahas. Oleh sebab itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun akan sangat diharapkan untuk pengembangan teknologi terkait. Semoga ALLAH SWT memberikan sifat Rahim – Nya kepada semua pihak yang tersebut diatas dan penyusun berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi penyusun dan pembaca.
Malang, 25 April 2015
x DAFTAR ISI
COVER………i
POSTER………..ii
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI……….iii
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR PEMBIMBING I………….………iv
LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR PEMBIMBING II………….………v
LEMBAR PERNYATAAN………..vi
ABSTRAK………vii
KATA PENGANTAR………...ix
DAFTAR ISI………..xi
DAFTAR GAMBAR………xv
DAFTAR TABEL………...xvi
DAFTAR PUSTAKA………xviii
BAB I………...1
PENDAHULUAN………...1
1.1 Latar belakang………...1
1.2 Rumusan masalah……….3
1.3 Tujuan penelitian………...4
xi BAB II
TINJAUAN PUSTAKA……….4
2.1 Mesin Kalor...………5
2.2 Ketel Uap…...………...5
2.3 Klasifikasi Ketel Uap..………..8
2.4 Bagian-bagian Utama ketel uap…..……...………11
2.4.1 Ruang Bakar..………...11
2.4.2 Pipa Waterwall..………...10
2.4.3 Pipa Superheater..………...12
2.4.4 Pipa Back Pass…...………....15
2.4.5 Drum Ketel...15
2.4.6 Ekonomiser...16
2.4.7 Pemanas Udara atau Air Heater...17
2.5 Proses Pembentukan Uap...………..19
2.6 Bahan Bakar Ketel dan Reaksi Pembakaran………...……….24
2.6.1 Nilai Kalor Bahan Bakar...24
2.6.2 Kebutuhan Bahan Bakar dan Udara Pembakaran...25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN……….27
3.1Metode Penulisan...………..27
3.2 Perancangan Ketel Uap…...……….27
xii
3.2.2 Perhitungan Dimensi….……….27
3.3 Gambar Rancangan…....………..28
3.4 Diagram Alir Rancangan...29
BAB IV PEMBAHASAN DAN PERHITUNGAN…...………30
4.1 Perhitungan Nilai Kalor..………30
4.2 Perhitungan Kebutuhan Bahan Bakar….………31
4.3 Proses Pembakaran...32
4.3.1 Kebutuhan Udara Pembakaran...32
4.3.2 Perthitungan Gas Asap...33
4.4 Keseimbangan Panas...34
4.4.1 Panas Berguna...34
4.4.2 Kerugian-kerugian Panas...35
4.5 Perencanaan Pembagian Panas...37
4.5.1. Panas yang terjadi di Ruang Bakar...37
4.5.2. Panas yang diperlukan Ketel Uap...38
4.5.3. Suhu Gas Asap pada Dapur...41
4.6 Ruang Bakar...43
4.6.1 Ukuran Rangka Bakar Rantai...45
4.6.2 Perpindahan Panas pada Ruang Bakar...47
4.7 Pipa WaterWall...48
4.7.1 Ukuran dan Jumlah Pipa...48
xiii
4.7.3 Panas yang Diserap Pipa Water Wall...52
4.8 Pipa Superheater...55
4.8.1 Panas yang Diserap Pipa Superheater...55
4.8.2 Temperatur Gas Asap Meninggalkan Superheater...56
4.8.3 Ukuran Pipa Superheater...57
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………61
5.1Kesimpulan………...61
5.2Saran……….…………62
LAMPIRAN DAFTAR PUSTAKA DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Ketel Uap...……….6
Gambar 2.2 : Salah satu PLTU di Indonesia...7
Gambar 2.3 : Perbandingan antara PLTU dan PLTN...8
Gambar 2.4 : Salah satu ketel uap type pipa api...………...9
Gambar 2.5 : Ketel uap pipa air...………..10
Gambar 2.6 : Bentuk Ruang Bakar tungku di Bawah...11
Gambar 2.7 : Pipa waterwall...………...13
xiv
Gambar 4.1 : Ruang Bakar Dan Rantai Bakar yang Direncanakan...46
Gambar 4.2 : Ukuran dan Jarak Pipa Water Wall...51
Gambar 4.3 : Waterwall Pada Ruang Bakar...52
Gambar 4.4 : Header dan ukuran pipa superheater...59
Gambar 4.5 : Gambar Pipa Superheater...60
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 : Spesifikasi Ketel...………...3
xv DAFTAR PUSTAKA
Babcock and Wilcox, 1972, “Steam It’s Generation and Use”, Newyork
Djoksetyardjo M.J., 2006, Ketel Uap, Cetakan Keenam, Jakarta. Djokosetyardjo M.J., 1990. “Pembahasan Lanjut Tentang Ketel
Uap”, Cetakan Pertama, Jakarta.
J.P. Holman alih bahasa E.Jasifi, 1988, “Perpindahan Kalor”, edisi keenam, Jakarta.
Syamsir A. Muin, 1992, “Pesawat-pesawat Konversi Energi II (Ketel Uap)”, cetakan pertama, Jakarta.
P. Shyakin, 1988, “Turbin Kukus”, Erlangga, Jakarta.
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pada dewasa ini dimana industri semakin tumbuh dan berkembang, maka
kebutuhan energi juga semakin meningkat. Hal ini mendorong terciptanya suatu
teknologi-teknologi baru untuk menghasilkan energi yang menguntungkan dan
lebih efisien. Salah satu energi yang dibutuhkan untuk menjawab tuntutan dari
pertumbuhan industri adalah energi listrik.
Energi listrik merupakan kebutuhan bagi kehidupan modern yang menjadi
syarat bagi suatu kehidupan yang layak dan untuk perkembangan industri yang
maju. Beberapa pusat pembangkit listrik yang masih banyak digunakan dewasa
ini yaitu PLTA, PLTD, PLTU, PLTG, PLTGU, dan beberapa pembangkit lain
yang menggunakan energi alternatif. Tetapi di antara pembangkit-pembangkit
tersebut, PLTU yang masih memungkinkan digunakan untuk sekarang ini dan
untuk jangka panjang, dikarenakan masih ketersedianya bahan bakar dan
factor-faktor penunjang lainnya. PLTU menggunakan ketel uap dan turbin uap
untuk menggerakkan generator listrik untuk menghasilkan energy listrik.
Selain untuk menghasilkan listrik, uap panas yg dihasilkan ketel uap juga
mampu untuk memutar alat atau mesin lainnya, seperti alat penunjang produksi
dalam suatu industri, sebagai penggerak pompa air, kompresor, penggerak
konveyor batu bara, dan lain-lain yang mampu dikerjakan oleh ketel uap dan
2
bila digunakan untuk pembangkit listrik dan untuk menggerakkan
mesin-mesin di industri maka diperlukan ketel uap yang menghasilkan uap
berkapasitas besar agar penggunaan ketel uap tersebut lebih efisien dan mencapai
tujuan yang diinginkan.
Ketel uap merupakan pembangkit tenaga yang berfungsi untuk
menghasilkanuap dengan jalan memberi sejumlah energi panas melalui proses
pembakaran bahan bakar pada fluida air yang terdapat pada ketel uap. Pada
umumnya bahan bakar yang digunakan pada ketel uap adalah batu bara, residu,
dan bagasse ( ampas tebu ).
Salah satu hal penting lainnya yaitu tersedianya bahan bakar yang melimpah
selain gas alam dan minya bumi ataupun energi alternatif lainnya demi
kelangsungkan pembangkit energi itu sendiri, serta biaya perawatan dan invesati.
Batu bara adalah salah satu energi yang masih tersedia melimpah di Indonesia.
Penggunaannya juga belum maksimal, sehingga menjadi bahan bakar ketel uap
adalah satu cara memaksimalkan penggunaan batu bara di negeri ini. Selain
harganya yang lebih murah dari gas alam dan minyak bumi, batu bara memberi
banyak keuntungan pada faktor-faktor tertentu secara teknis dan non-teknis.
Menurut Shields, Carl D (1971) bahwa kapasitas ketel uap pipa air dapat
3
Tabel 1.1 Spesifikasi ketel Ketel pipa air ;
1. Horizontal straight tube boiler :
a) Box header b) Longitudinal
drum 2. Bent tube boiler :
a) 2 drum b) 3 drum c) 4 drum
Tekanan (bar)
11 ÷ 17 10 ÷ 40
8 ÷ 120 8 ÷ 40 11 ÷ 57
Kapasitas uap (ton/jam)
1,8 ÷ 22,5 4 ÷ 30
5 ÷ 300 5 ÷ 300
4,5
Berdasarkan tabel di atas untuk merancang ketel uap yang direncanakan
berkapasitas sebesar 150 ton/jam dan tekanan uap sebesar 30 bar maka dipilih ketel
uap pipa air tipe Bent Tube Boiler 2 drumskarena spesifikasi ketel memenuhi syarat
perancangan.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah yang dapat di
ambil adalah sebagai berikut :
1. Menghitung berapa kebutuhan bahan bakar untuk menghasilkan uap kering
berkapasitas 150 ton/jam dan berapa kalor yang dibutuhkan oleh komponen
ketel uap seperti: ruang bakar, pipa waterwall, pipa superheater.
2. Menghitung dimensi komponen utama ketel uap seperti : ruang bakar,pipa
4
1.3. Tujuan Perencanaan
Berdasarkan rumusan masalah di atas, maka tujuan yang di dapat adalah
sebagai berikut :
1. Mengetahui berapa kebutuhan bahan bakar untuk menghasilkan uap kering
berkapasitas 150 ton/jam dan berapa kalor yang dibutuhkan oleh komponen
ketel uap seperti: ruang bakar, pipa waterwall, pipa superheater.
2. Mengetahui dimensi komponen utama ketel uap seperti : ruang bakar, pipa
waterwall, dan pipa superheater.
1.4. Batasan Masalah
Karena permasalahan dalam perancangan ketel uap sangat meluas dan
kompleks maka didalam perencanaan ini lebih mengarah dan ditekankan pada hal-hal
sebagai berikut :
1. Analisa kebutuhan udara dan gas asap.
. 2. Kebutuhan kalor dan kebutuhan bahan bakar.
3. Perancangan hanya meliputi komponen utama : ruang bakar, pipa waterwall,
dan pipa superheater.
