2.1 Proses Pembentukan Uap
Proses terbentuknyauapterjadi melaluiperubahan energi panas pembakaran
bahan bakar menjadi energi panasdalam bentuk uap.
Panashasil pembakarandigunakanuntuk menaikkan entalpiair sampai terbentuk
uapair yang mengandung energi dalam yang disimpan dalam bentuk panas dan
tekanan.
Salah satu proses pembentukan uap adalah mendidih, dimana titik didih
suatuzat cair tergantung pada tekanan pada tekananyang diberikan
padapermukaan zat cair.
Untuk menghasilkan uap yang lebih besar digunakan ketel uap, dimanafluida
kerja yang digunakan adalah air, karena air memiliki sifat-sifat yang
lebihmenguntungkan biladibandingkan dengan fluida kerja yang lain.
Adapun keuntungan penggunaan air sebagi fluida kerja yang lain:
• Mudah diperoleh dengan harga yang murah
• Air dapat bersifat netral (pH = 7) sehingga sifat korosif yang
merusaklogam dapat diatasi.
• Airtidak terbakar
• Mampu menerimakalordalam jumlah besar • Dapat bekerja pada tekanan yangtinggi
Uapyang terbentukdari pemanasan ini dirubah menjadi uap basah ataupun
kering melalui beberapa tahap. Dengan demikian uap yang terbentukdapat
digolongkan kedalam berbagai bentuk jenis uap yaitu:
2.1.1 Uap Basah
Kondisi uap ini mengandung titik-titik air.Kwalitasuap ini dapat
dinyatakandengan kwalitas uap tertentu (x), dimana harga x berkisar antara
0<x<1. Dalamhal ini temperatur air dan uap adalah sama seperti ditunjukkan pada
gambar 2.1. Kondisi uap berada padatitik 2 dan 3.
Kondisi uap ini tidak mengandung titik-titik air lagi. Kualitasuappadakondisi
ini x = 100%.Uap ini diperolehdengan penambahan kalor pada uap basah sama
sehingga mencapai titik 3.
2.1.3 Uap Panas Lanjut
Kondisiuap ini diperolehdengan memanaskan uap jenuh pada tekanankonstan
sehingga temperaturnya meningkat.
Gambar 2.1 DiagramT-SProses pembentukan uap
Pemanasanairdari keadaan awal (titik 1) menjadi kondisi cair jenuh (titik 2),
membutuhkan kalorsebesar (Moran Michael.J. 1993)
Q1-2 = ma (h2 –h1) (2-1)
dimana:
m a = laju aliran massa air yang dipanaskan (kg/jam) h1 = entalpi air pengisian ketel (kJ/kg)
h2 = entalpi air pada kondisi cair jenuh (kJ/kg)
Pemanasan dari titik 1 ketitik 2 ini hanya akan menaikkan temperatur
tetapitidak merubah fasa cair.Perubahanfasa akanterjadiapabilapanas tetap
diberikanpadaair yang telah mencapai kondisi titik 2. Dalam hal ini pemanasan
tidak akan menaikkan temperatur fluida yang dipanaskan. Pemberian panas
selanjutnya akanmerubah titik-titik air menjadi uap atau pemanasan dari titik 2
hinggatitik 3.Panas yang diserap dalam perubahan fase iniadalah:
mu = laju aliran massa campuran yang dipanaskan (kg/jam) h3 = entalpi uap jenuh pada kondisi titik 3 (kg/kJ)
Pemanasan uap jenuh (titik 3) secara kontinu akan menaikkan temperatur uap
sehingga menjadi uap panas lanjut (titik4). Dalam hal ini panas yang dibutuhkan
sebesar:
Q3-4 = mu (h4 – h3) dimana:
mu = laju aliranmassacampuran yangdipanaskan (kg/jam) h3 = entalpiuap pada kondisi uap panas lanjut titik 4 (kg/kJ)
2.2 Ketel Uap
Ketel uap dalam bahasa Inggris dikenal dengan nama boiler, dimana kata
boiler berasal dari kataboil yang berartisama dengan mendidihkan atau
menguapkan. Sehingga boilerdapatdiartikansebagai suatu alatpembentuk uap yang
mampu mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar (padat, cair dan gas)
menjadi energi panas.
Uapyangdihasilkan ketel dapat dimanfaatkan untuk berbagaikeperluan
antara lain adalah:
- Pembangkit daya listrik
- Industri
Pada perancangan ini jenis ketel yang dignakan adalah ketel pipa air, dimana
fluida yang mengalir dalam pipa adalah air. Energi panas(pembakaran bahan
bakar) ditransfer dari luar pipa ke air ketel.
Contoh ketel pipa air adalah:
1. Ketel Babcockand Wilcox
2. Ketel La Mont
4. Ketel Takuma
Gambar 2.2 Ketel Babcock dan Wilcox
2.2.1 Klasifikasi Ketel Uap
Klasifikasi ketel uapdapat dibedakan berdasarkanpemakaian, letak dapur,
jumlahlorong, bentukdan letak pipa, sistem peredaran air, jenis bahan bakar,
tekanan kerja ketel, dan kapasitas uap.
2.2.1.1 Berdasarkan Pemakaian
Berdasarkan pemakaian keteluap dapat diklasifikasikansebagai berikut:
a. Ketel Stasioner (stationer boiler)
Ketel yangberada diatas pondasi yang tetap, seperti untuk pembangkit tenaga,
untuk industri dan lain-lain
b. Ketel Bergerak (mobile boiler)
Ketel yang dipasang pada pondasi yangbergerak atau berpindah-pindah,
Gambar 2.3 Ketel Lokomotif
2.2.1.2 Berdasarkan Letak Dapur (Furnance Position)
Berdasarkan letak dapur, ketel uap dapat dikllasifikasikan sebagai berikut:
a. Ketel dengan pembakaran didalam (internalfired steam boiler)
Ketel pada jenis ini memilikidapur dibagian dalam ketel
b. Ketel dengan pembakaran diluar (external fired steam boiler)
Ketel pada jenis ini memiliki dapur pembakaran diluar ketel
2.2.1.3 Berdasarkan Jumlah Lorong (Boiler Tubes)
Berdasarkan jumlah lorong, ketel dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
a. Ketel lorong tunggal (single tube steam boiler)
b. Ketel lorong ganda (multi tube steam boiler)
2.2.1.4 Berdasarkan PadaBentuk dan Letak Pipa
Berdasarkan bentuk dan letak pipa, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai
berikut:
a. Ketel dengan pipa lurus, bengkok dan berlekak-lekuk (straight,bent,and
sinous tubuler hating surface)
b. Ketel dengan pipa miring tegak (horizontal melined or rubuler
Gambar 2.4 Ketel pipa miring tegak
2.2.1.5 BerdasarkanSistem Peredaran Air (Water Circulation)
Ketel berdasarkan sistem peredaran air pada ketel dapat diklasifikasi
sebagaiberikut:
a. Ketel dengan peredaran alami (natural circulation steam boiler)
Peredaran air dalam ketelterjadi secara alami akibat dari perbedaan berat
jenis air pada saat dipanaskan sehingga terjadilah aliran konveksi alami.
Gambar 2.5Ketel dengan peredaran alami
b. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler)
Pada ketel jenis ini, aliran air terjadi karena adanya alat bantu yaitu sebuah
Gambar 2.6 Ketel dengan peredaran paksa
2.2.1.6 Berdasarkan Jenis Bahan bakar
Berdasarkanjenis bahan bakar yang digunakan,maka
keteldapatdiklasifikasikan sebagai berikut:
a. Ketel uapdengan bahan bakar padat (batu bara, cangkang, serabut, kayu, dan
lain-lain)
b. Ketel uap dengan bahan bakar cair (minyak bumi, bensin, solar, dan lain-lain)
c. Ketel uapdengan bahan bakar gas (gas alam,gas bumi, dan lain-lain)
d. Ketel uap dengan bahan bakar nuklir (uranium)
2.2.1.7 Berdasarkan Tekanan Kerja Ketel
Berdasarkan tekanan, ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
a. Ketel tekanan rendah, dibawah 5 kg/cm2 b. Ketel tekanan menengah,antara 5 : 30 kg/cm2 c. Ketel tekanan tinggi, antara 30 : 325 kg/cm2
2.2.1.8 Berdasarkan Kapasitas Uap
Berdasarkan kapasitasuap yangdihasilkan, ketel uap dapat
a. Ketel uap dengan kapasitas uap rendah (dibawah 10 ton uap/jam)
b. Ketel uap dengan kapasitas uap sedang (10: 60 ton uap/jam)
c. Ketel uap dengan kapasitas uap besar (diatas 60 ton uap/jam)
2.2.2 Bagian-bagian UtamaKetel Uap
Ketel uap terdiri dari beberapa komponen, dimana antara komponen yang
satu dengan yang lainnya mempunyai fungsi yang berbeda tetapi saling
bergantung satu dengan lainnya.
2.2.2.1 Ruang Bakar
Ruang bakar merupakan suatu tempat terjadinya pembakaran bahan
bakar.Dalam proses pembakarandibutuhkanudara yang cukup untuk
menjamintercapainyapembakaran yangsempurna.Dimensi ruang
bakardidesainsedemikian rupa sehingga panas yang dihasilkan dari pembakaran
bahan bakar dapat digunakan seefisien mungkin.
2.2.2.2 Drum Ketel Uap
Drum ketel uap merupakan suatu media penampungan air dan uap yang
disirkulasikan oleh pipa-pipa watelwall. Dua pertiga dari drum berisi air pada
kondisi kerja boiler. Air dan uap dipisahkan oleh suatu alat yaitu separator yang
terdapat di dalam drum tersebut. Pada suatu instalasi ketel uap, boiler terdiriatas
dua unit yaitu drum atasdan drum bawah.
2.2.2.3 Pipa Waterwall
Komponen yang paing penting dari ruang bakar ketel uap adalah pipa
waterwall, dimana panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar diserap
pipa waterwall, sehkigga air yang terdapat pada pipa waterwall mengalami
Suatu komponen dari ketel uap yangberfungsi untuk mengatur sirkulasi
airdan uap.
2.2.2.5 Pipa Superheater
Uap yang masuk ke dalam turbin uap harus tidak mengandung uap air yang
dapat merusak sudu-sudu turbin.Untuk itulahsebelumuap memasuki
turbinuap,uaptersebut harusdipanaskanpadapipa superheateruntukmendapatkan
uappanas lanjutyang tidak mengandung butir-butir air.
2.2.2.6 Cerobong Asap
Cerobong asap berfungsi untuk membuang gas asap yang tidak dipakai
lagi ke udara bebas, sehingga akan mengurangi populasi disekitar instalasi
ketel uap.
2.2.2.7 Header
Headermerupakan suatu media penampung airdanuap yang disirkulasikepipa
waterwall
Header pada ketel terdiri dari 4 bagian yaitu:
1. Header depan (front header)
2. Header belakang (rearheader)
3. Header samping kiri (division wall side header)
4. Header samping kanan (furnance side header)
2.2.3 Bahan Bakar Ketel Uap
Bahanbakar(fuel) adalah segala bahanyang dapat dibakar. Disekeliling kita
banyak terdapat bahan yang dapat dibakar,misalnya kertas,kayu,kain,minyak
tanah, minyak makan, dan sebagainya
Bahanbakar yangdapatdigunakan dalam ketel uapdapatdiklasifikasikan:
1. Bahan bakar padat alami(natural solidfuel),antara lain:
a. Bahan bakar kayu, (wood)
c. Bahan bakar batu bara coklat (lignite)
d. Bahan bakar batu bara bituminous (bituminous coal)
e. Bahan bakar bara antasit (anthrasite coal)
2. Bahan bakar padat buatan, antara lain
a. Bahan bakar arang kayu, (wood charcoal)
b. Bahan bakar kokas(coke)
c. Bahan bakar briket(briguette)
d. Bahan bakar tepung batu bara (pulverizedcoal)
e. Bahan bakar ampasmisalnya,serabut dan cangkangkelapasawit,atauampas
tebu
3. Bahan bakarcair alami, antara lain:
a. Minyak mentah (crude oil)
4. Bahan bakar gasalami, antara lain:
a. Gas methane (CH4) bersamadengan gasethana (C2H6) b. Carbon monoksida (CO)
c. Gas LNG dan LPG
5. Bahan bakar gas buatan, antara lain:
a. Coal gas
Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada
waktuterjadinya unsur-unsur kimiayang ada pada bahan bakar tersebut.
Nilai kalor pada bahan bakar dapat dibagi menjadi dua yaitu:
1. Nilai kalor bakar tertinggi (HHV)
sehinggapanaspengembunannyaturutdihitungsertadinilai sebagai panas
pembakaranyang terbentuk.
2. Nilai kalor Bakar Terendah (LHV)
Nilai kalor terendah atau lowest heating value (LHV), uap air yang terbentuk
darihasil pembakaran tidak perludicairkan dahulu, sehinggapanas
pengembunannya tidak ikut serta untuk diperhitungkan sebagai panas
pembakaran bahan bakar tersebut
Adapun nilai kalor tertinggi (HHV) dan terendah (LHV) menurut Dulog,
adalah (Culp,1996. h 46)
HHV = 33.950 C + 144.200 �H2 O2
8� + 9.400S (kJ/kg) (2-2)
LH V = HHV - 2.400 (H2O + 9 H2)(kJ/kg)
2.2.5 Perpindahan Panas pada Ketel Uap
Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara yang
berupa api yang menyala dan gas yang tidak menyala dipindahkan kepada air dan
uap melalui bidang yang dipanaskan (heating surface) dengan tiga cara, yaitu:
1. Cara Pancaran (Radiasi)
2. Cara Aliran (konveksi)
3. Cara Rambatan (Konduksi)
2.2.5.1Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas antara suatu benda ke benda lainnya dengangelombang
elekromagnetis tanpa tergantung kepada ada atau tidaknya media atau zat
perantara diantara benda yang menerima pancaran panas tersebut
Adapun laju perpindahanpanas yangterjadidapatdihitungdenganpersamaan
(Holman. J. P, 1993, h 381)
Q =ε x σ x A x ��εg x Tg4� − �αg x Tg4�� (2-3)
dimana:
A = luas bidang yang menerima pancaran, (m2) Tw = Temperatur permukaan, (K)
𝜀𝜀 = emisivitas bahan
2.2.5.2Perpindahan Panas Secara Aliran atau Konveksi
Perpindahanpanas secaraaliran atau
konveksiadalahperpindahanpanasyangdilakukanoleh
molekul-molekulsuatufluida(cairataupungas)yangbergerak.
Adapun laju perpindahan panasyangterjadidapatdihitungdenganpersamaan
(Holman. J. P, 1993, h 252)
Tw = Temperatur permukaan yang dipanasi, (K) 2.2.5.3Perpindahan Panas Secara Perambatan atau Konduksi
Perpindahan panassecara perambatan ataukonduksi adalah perpindahanpanas
dari suatu bagian benda padat ke bagian lain dari benda yang padat yangsama,
terjadinyapersinggungan fisik(kontakfisik atau menempel) tanpa terjadinya
perpindahanmolekul-molekul dari bendapadat itu sendiri.
Adapun perpindahan panas yang terjadi dapat dihitung dengan persamaan
(Holman. J. P, 1993, h 26)
Q = - kA∂T
∂x (2-5)
dimana:
k = Koefisien konduksi bahan, (W/m K)
A = Luas permukaan yang dipanasi, (m2) x = Tebal dinding, (m)
T0 = Temperatur dinding pipa sebelah luar, (K) Ti = Temperaturdinding pipasebelah dalam, (K)
