Analisis Perhitungan Dan Perencanaan Water Tube Boiler Berbahan Bakar LPG Pada Industri Kecil Tahu Di Mojokerto

(1)

SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 68

Analisis Perhitungan Dan Perencanaan Water Tube Boiler

Berbahan Bakar LPG Pada Industri Kecil Tahu Di Mojokerto

Denny M.E. Soedjono1_{, Joko Sasetiyanto}2_{, Dedy Zulhidayat Noor}3_{, Hayu Rara} Febby Hapsari4

Program Studi D3 Teknik Mesin FTI Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

e-mail: dsoedjono@gmail.com/dmes@me.its.ac.id

ABSTRAK

Ketel uap adalah alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap air dalam bejana tertutup dengan menggunakan panas. Sebagai pemanas dapur dengan bahan bakar kayu maupun ampas tebu. Namun, seiring dengan perkembangan jaman LPG merupakan bahan bakar alternative untuk pengganti bahan bakar kayu.Dalam industri kecil penggunaan boiler cukup penting dalam prosesnya. Kebanyakan jenis boiler yang dipakai adalah jenis fire tube boiler. Perencanaan boiler ini berskala kecil dengan kapasitas uap hasil 70 kg/jam uap jenuh dengan menggunakan LPG sebagai bahan bakar. Ketel uap ini digunakan sebagai unit penggerak proses pengolahan industri kecil tahu di daerah Mojokerto. Industri kecil tahu proses pengolahannya hanya menggunakan uap jenuh, maka ketel uap ini direncanakan menghasilkan

uap pada temperatur 120o_{C pada tekanan uap 1,5 bar(tekanan boiler/tekanan operasional). Jenis}

yang dirancang adalah jenis ketel uap pipa air (water tube boiler). Bahan drum ketel menggunakan drum aspal dengan diameter 50 cm dan tinggi 87 cm. Sedangkan untuk pipa – pipa airnya menggunakan carbon steel boiler tubes ASME SA-178A GRADE A / SA-214 dengan diameter luar 0,0381 dan diameter dalam 0,035687 m sehingga dari analisa dan perhitungan dapat diketahui panjang pipa sebesar 17,02 m dan banyak pipa 25 laluan dengan kemiringan

pipa sebesar 15o_{sehingga dari data tersebut dapat direncanakan gambar desainnya.}

Kata kunci: ketel uap, LPG, ketel pipa air, pipa, ruang bakar

Pendahuluan

Ketel uap banyak digunakan pada industri kecil menengah sebagai peralatan prose pengolahan, seperti pengolahan cengkeh pala dan sebagainya. Juga bisa digunakan sebagai media pemanas pada industri tahu, industri rotan dan sebagainya. Sebagai pemanas dapur dengan bahan bakar kayu maupun ampas tebu, karena ampas tebu maupun kayu murah harganya dan mudah didapat. Namun, seiring dengan perkembangan jaman LPG merupakan bahan bakar alternative untuk pengganti bahan bakar kayu. Dari beberapa penelitian bahwa industri-industri kecil pangan (Siregar H.P, 1999) masih banyak menggunakan peralatan sederhana dalam proses produksinya. Pemakaian energi panas seperti uap pada industri tersebut diatas banyak dibutuhkan. Sementara kebutuhan tersebut masih banyak menggunakan alat-alat sederhana dimana umumnya boros energi, proses relative lama dan tidak nyaman. Ketel uap (boiler) sebagai penghasil uap yang dipakai untuk sumber energi proses merupakan suatu alur produksi dalam suatu industri pangan maupun industri lainnya karena sangat penting fungsinya dalam proses produksinya. Boiler biasanya dipakai untuk proses perebusan/memasak,sterilisasi, penyulingan, pengering dan sebagainya.

(2)

Ketel yang umum digunakan dalam industri kecil tahu adalah jenis ketel uap pipa api (fire tube boiler) karena bentuknya yang sederhana, mudah perawatannya, harganya murah dan juga pekerjaan konstruksi dapat dilakukan oleh bengkel-bengkel yang tidak terlalu besar. Septi Wahyu Mulyawati (2013) telah melakukan penelitian dengan menggunakan ketel pipa api.

Namun penulis ingin menganalisa dan menghitung perpindahan panas yang terjadi dalam ketel uap pipa air (water tube boiler) dengan data kapasitas uap boiler yang direncanakan 70 kg/jam, beroperasi pada tekanan 1,5 bar, temperatur uap yang dihasilkan 120o_{C dan berbahan}

bakar LPG. Sehingga nantinya dapat dilihat perbandingan dari ketel uap pipa air (water tube

boiler) dan ketel uap pipa api (fire tube boiler).

Metodologi

Pada analisis perhitungan dan perencanaan ini, kami akan menghitung data awal yang sudah diambil sebelumnya dan melengkapinya dengan data pendukung, yang nantinya dari data – data tersebut didapatkan sebuah dimensi dari water tube boiler.

Di bawah ini adalah langkah – langkah pengambilan data serta perencanaan bentuk dimensi dari water tube boiler. Untuk memperjelas mengenai alur dari pengerjaan penelitian dan alur perhitungan serta perencanaan water tube boiler ini, dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 1. Diagram Alir Perhitungan

Mulai

Perhitungan Properties Data Yang Diketahui

Perhitungan Qboiler,

Perhitungan ṁbahan bakar

Pemilihan Jenis Pipa Yang Sesuai dan Ada Di Pasaran

tidak

ya

Pengambilan Data Yang Diketahui

Perhitungan Panjang Pipa Yang Dibutuhkan,

Perhitungan Laluan Pipa Yang Dibutuhkan

Penggambaran Perencanaan Water

Tube Boiler

Selesai

Perhitungan Koefisien Panas Pada Pipa (hi dan ho )

Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan (U)

(3)

Hasil Dan Pembahasan

Data yang tersedia: 1.

sekon

kg

jam

kg

m



_uap





_air



70 

0 .

01944

2. Tuap = 120o C = 393o K 3. Tair = 30o C = 303o K 4. Tpembakaran = 534o C = 807o K 5. Puap = 1.5 bar Penyelesaian:

1. Kalor yang dibutuhkan oleh Water Tube Boiler

Qboiler = m (hout boiler – hin boiler) =0.01944 kg/s (2711.4 – 125.79) kJ/kg = 50264.258 J/s

2. Mencari mflue gas

Mencari mflue gasdengan persamaan di bawah ini:

Qboiler = Qflue gas

1) Membuktikan aktual temperatur rata – rata yang diserap air dengan temperatur yang diasumsikan:

(Asumsi Tcm = 80° C memadai)

3. Pemilihan Pipa Yang Tersedia Di Pasaran

Bahan pipa = Carbon steel boiler tubing ASME SA-178A GRADE A / SA-214 Diameter Outside = 38,1 mm = 0,0381 m

Diameter Inside = 35,687 mm =0,035687 m

4. Air mengalir di dalam pipa

Karena aliran laminar maka kolerasi “ Convection Internal Flow “ menggunakan persamaan:

NuD = 3.66 untuk Ts konstan

Maka kolerasi “ Convection Internal Flow “ yaitu:

5. Aliran Udara Di Luar Pipa

4273

.

126220

.

4 Re







o fluegas D

D

m



K

m

W

D

k

Nu

h

_o i D i

.

69 .

68

₂



7056

.

1972

.

4 Re







i air D

D

m



s

kg

T

c

Q

m

p fluegas fluegas



0 .

1155









ci co



p fluegas

c

T

m

Q





.



C

K

T

c

m

Q

T

_ci o p fluegas co

406 .

68

133 .

68 .







C

T

ci co o cm

81 .

84

2 





(4)

Karena aliran turbulen maka kolerasi “ Convection External Flow “ menggunakan persamaan:

Karena maka pada table

6. Konduksi Yang Terjadi Pada Pipa

Analisis data untuk Carbon steel AISI 1010 diperoleh dari tabel pada buku “Fundamentals of

Heat and Mass Transfer “didapatkan harga k = 48 W/m2_.o_K

Konduksi pipa =

7. Koefisien Perpindahan Panas

Pipa dianggap pipa baru, sehingga tidak ada fouling factor (kerak), maka panjang pipa:

8. Panjang Pipa Yang Dibutuhkan

Dari perhitungan diatas dapat dihitung panjang pipa yang dibutuhkan dengan rumus:

9. Efisiensi water tube boiler

10. Perencanaan Desain Water Tube Boiler

Perencanaan desain water tube boiler menggunakan: 1) Pipa

Bahan pipa : carbon steel boiler tubes ASME SA-178A GRADE A / SA-214

Diameter outside : 38,1 mm Diameter inside : 35,687 mm 2) Drum

Drum yang digunakan adalah drum aspal dengan diameter 50 cm dan tinggi 87 cm Tinggi upper header = 10 cm

Tinggi badan boiler = 67 cm Tinggi bottom header = 10 cm



126220

.

4273



0 .

685

304 .

0908

027 .

0

0.805 13



x

Nu

D

4273

.

126220

Re

_D



K

m

W

x

m

k

m

W

m

r

k

r

o o

.

10 5966

.

2 0178435

.

0 01905

.

0 ln

.

48 01905

.

0 ln

5 ₂ 1 2 2





K

m

W

h

r

k

r

h

U

_o i i o i o o o

.

7548

.

54

1 ln

1

2









 











C

T

o ci ho co hi ci ho co hi lm

207 .

926 ln





















m

T

D

U

Q

L

lm i

02 .

17 .

.











%

934 .

0 %

100 





x

LHV

m

h

m

fluegas in out uap





K

m

W

D

k

Nu

h

_o o D o

.

327 .

374

₂



3 1

Pr

Re

m_D D

C

Nu



(5)

3) Sudut kemiringan

Sudut kemiringan water tube boiler adalah 15o

11. Desain Rencana Water Tube Boiler

Gambar 2. Dimensi Desain Rencana Water Tube Boiler

Gambar 3. Desain Perencanaan Water Tube Boiler

12. Perhitungan dan Perencanaan Fire Tube Boiler

 Bahan pipa = Carbon Steel Boiler Tubing ASME SA-178A GRADE A/SA-214 (Plain

Carbon)

 Nominal Diameter = 3-1/2” (11 GA)

 Diameter Outside = 3,500 in = 88,9 mm = 0,0889 m

 Ketebalan pipa = 0,120 in = 3,048 mm = 0,003048 m

 Diameter Inside = 3,380 in = 85,852 mm = 0,085852 m

13. Flue Gas Mengalir Di Dalam Pipa

Karena aliran turbulen maka kolerasi “ Convection Internal Flow “ menggunakan persamaan:

Maka kolerasi “ Convection Internal Flow “ yaitu:

982 .

56014

.

4 Re







i fluegas D

D

m



n D D

Nu



0 .

023 Re

45

Pr

350 .

124

685 .

0 .

982 .

56014

.

023 .

0 Pr

Re

023 .

0

45 0.4



45 0.4



_D D

Nu

n = 0.4 untuk heating

K

m

W

D

k

Nu

h

_o i D i

.

931 .

67

₂



Jumlah pipa =

panjang pipa

panjang badan drum

= = 25.4

17020 mm



25 pipa

670 mm

(6)

14. Aliran Air Di Luar Pipa

Karena aliran laminar maka kolerasi “ Convection External Flow “ menggunakan persamaan:

15. Konduksi Yang Terjadi Pada Pipa

Konduksi pipa =

16. Koefisien Perpindahan Panas

16. Dimensi Panjang Pipa

Pipa dianggap pipa baru, sehingga tidak ada fouling factor (kerak), maka panjang pipa:

17. Efisiensi Fire Tube Boiler

18. Perencanaan Desain Fire Tube Boiler

Dari data dimensi yang sudah didapatkan dari hasil perhitungan, maka desain dari fire tube

boiler sendiri dapat dirancang menjadi 3D dan potongan dengan bantuan sebuah software yaitu

solidwork. Serta ditentukan pula bahan badan boiler dan pipa yang dipergunakan untuk merencanakan suatu fire tube boiler. Berikut merupakan spesifikasi bahan yang dipergunakan untuk badan boiler dan pipa didalam boiler:

1) Bahan Badan Boiler a) Cold Rolled Steel b) Dimensi Drum  Tebal plat = 0,6 mm

423 .

791 .

4 Re







o air D

D

m



3 1

Pr

Re

m_D D

C

Nu



917 .

19

2 .

2

423 .

791 .

638 .

0

0.466 13



D

Nu

K

m

W

D

k

Nu

h

_o o D o

.

061 .

150

₂



K

m

W

x

m

k

m

W

m

r

k

r

o o i o i

.

10 06879

.

3 042926

.

0 04445

.

0 ln

.

8 .

48 042926

.

0 ln



5 ₂

K

m

W

h

r

k

r

h

U

_o o o i i o i i

.

125 .

47

1 ln

1

2









 











C

T

o ci ho co hi ci ho co hi lm

207 .

926 ln





















m

T

D

U

Q

L

lm i

223 .

8 .

.











%

934 .

0 %

100 





x

xLHV

m

h

m

bahanbakar in out uap





(7)

 Panjang Drum = 870 mm

 Diameter Drum = 500mm

2) Bahan Pipa didalam Boiler

a) Commersial steel (Carbon Steel AISI 1010) b) Dimensi diameter pipa

 Nominal Diameter = 80 (10S)

 Diameter Outside = 88,9 mm = 0,0889 m

 Diameter Inside = 82,804 mm =0,082804 m

19. Dimensi Fire Tube Boiler

Untuk perencanaan dimensi Fire Tube Boiler dapat dimulai mencari: 1) Jumlah pipa

Jumlah pipa Fire Tube Boiler

2) Luas Pipa Pemanas

Luasan pemanas pada Fire Tube Boiler adalah : Luasan pemanas = luas pipa x jumlah pipa

= ((  x r x 2) x (t x r)) x 12 = 99,811 m2

3) Luas dimensi badan boiler

Luas dimensi badan Fire Tube Boiler adalah : Luas dimensi badan boiler = (( x r x 2) x (t x r))

= 263,108 m2

4) Volume badan boiler yang terpakai secara efektif

Volume badan Fire Tube Boiler yang terpakai secara efektif adalah : Volume badan boiler = ketinggian volume air x volume badan boiler

= ¾  x r2 _{x t}

= 98665644,28 mm3

5) Volume air yang diperlukan untuk mengisi badan boiler

Volume air yang diperlukan untuk mengisi badan Fire Tube Boiler adalah :

 Volume total pipa pemanas

=  x r2_{x t x jumlah pipa = 49905619,62 mm}3

 Volume air didalam badan boiler

= volume badan boiler – volume total pipa pemanas

= 48760024,66 mm3

6) Analisis keamanan drum boiler ditinjau dari perbandingan antara kemampuan maksimal tekanan internal drum aspal dengan tekanan boiler yang sudah ditentukan.

Bahan badan boiler menggunakan drum aspal dengan material Cold Rolled Carbon

Structural Steel Sheet ASTM A611 GRADE E.

 Dari tabel Mechanical Properties of Steels Referred to in the AISI 1996 Specification akan didapatkan harga Yield Strength dari bahan tersebut.

Yield Strength (Sy) = 80 ksi = 552 MPa

 Factor of Safety (SF) ditentukan dari jenis beban, jenis material, jenis tegangan, dan jenis

kerja yang dilayani. Karena bahan badan boiler terbuat dari material steel dan beban yang terjadi pada fire tube boiler ini termasuk beban statis / Steady Load. Maka didapatkan harga SF sebagai berikut :

Factor of Safety (SF) = 4

Normal Stress () =

MPa

_MPa

SF

S

y

138

4

552 _



(8)

Maksimal tekanan internal drum aspal: Arah melingkar:

Dimana :

r = jari – jari badan silinder

t = ketebalan dinding badan boiler P = tekanan internal boiler

Arah membujur:

Dari hasil perhitungan membuktikan bahwa badan boiler yang terbuat dari drum aspal mampu menahan tekanan melingkar sebesar 3,312 Bar dan tekanan membujur sebesar 6,624 Bar, sedangkan tekanan yang terjadi didalam fire tube boiler yang akan direncanakan sebesar 1,5 Bar. Sehingga dapat disimpulkan bahwa drum aspal berbahan Cold Rolled Carbon

Structural Steel Sheet ASTM A611 GRADE E aman digunakan untuk perancangan fire tube

boiler ini.

Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari analisa perhitungan dan perencanaan ini adalah sebagai berikut ini:

 Kalor yang dibutuhkan oleh boiler dengan data diatas adalah Qb = 50264.258 J/s. Dari kalor

boiler di atas dapat dihitung massa bahan bakar LPG yaitu sebesar 0.1155 kg/s. Konduksi yang terjadi pada pipa sebesar = 2.5966 x 10-5_W/m2_.o_{K. Koefisien perpindahan panas}

keseluruhan pada pipa U = 54.75477 W/m2_.o_{K. Berdasarkan perhitungan efisiensi terhadap}

water tube boiler dengan bahan bakar LPG didapatkan efisiensi thermal sebesar 0.934 %.

 Panjang pipa yang dibutuhkan adalah L = 17.02 m dengan diameter luar pipa = 38.1 mm = 0.0381 m. Dimensi drum yaitu drum yang digunakan adalah drum aspal dengan diameter 500 mm dan tingi 870 mm. untuk tinggi upper dan bottom header drum masing – masing 100 mm dan untuk tinggi badan boiler sebesar 670 mm. dari dimensi drum dan panjang pipa maka untuk water tube boiler dibutuhkan 25 pipa.

Daftar Pustaka

1. Byrney, Richard C. “Turbular Exchanger Manufacturers Association, Inc”. 25 North Broadway Tarrytown, New York 10591

2. Incropera, Frank P. dkk “Fundamental Of Heat And Mass Transfer seventh edition ”. New York : Jhon wiley & sons, Inc.

3. Moran, Michael J. & Shapiro, Howard N. “Fundamentals of Engineering Thermodynamics

5th_edition” Jhon wiley & sons, Inc.

4. Mulyawati, Septi Wahyu. “Analisis Perhitungan dan Perencanaan Fire Tube Boiler

Berbahan Bakar LPG untuk Industri Kecil Tahu di Mojokerto” Tugas Akhir, 2013.

t

r

P.

1





bar

MPa

m

x

MPax

r

t

P

0 .

3312

3 .

312

25 .

0

10

6

138 .

4 1







t

r

P

2 .

2





bar

MPa

m

x

MPax

r

t

P

0 .

6624

6 .

624

25 .

0

10

6

2

138

2 .

4 2







(9)

5. Rusnoto, “Perencanaan ketel uap tekanan 6 atm dengan bahan bakar kayu untuk

industri sederhana”.

6. Siregar, H.P, 2001, “Pengembangan Ketel Uap untuk Industri Kecil, Prosiding

Seminar Nasional Peran Teknologi Informasi dalam pengembangan Usaha Kecil Menengah” Forum Komunikasi Teknologi Tepat Guna Jawa Timur, Surabaya.