PERANCANGAN KETEL UAP DENGAN KAPASITAS 122
TON UAP/JAM UNTUK PENGOLAHAN 4000 TON
TEBU/HARI
(SURVEI PTPN II KWALA MADU)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RAJA B.A.M SIHOMBING
NIM. 090421025
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERANCANGAN KETEL UAP DENGAN KAPASITAS 122
TON UAP/JAM UNTUK PENGOLAHAN 4000 TON
TEBU/HARI
(SURVEI PTPN II KWALA MADU)
RAJA B.A.M SIHOMBING NIM. 090421025
Telah Disetujui Oleh : Pembimbing/Penguji
Ir. Syahrul Abda, M.Sc. NIP. 195708051988111001
Penguji I, Penguji II,
Tulus Burhanuddin S, ST. MT
NIP. 197209232000121003 NIP. 194910121981031002
Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc.
Diketahui Oleh :
Departemen Teknik Mesin Ketua
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001
Universitas Sumatera Utara Fakultas Teknik
Program Pendidikan Ekstensi Jurusan Teknik Mesin
Medan
KARTU BIMBINGAN
TUGAS SARJANA MAHASISWA
No. ………./TS/……
Sub Program : Teknik Mesin
Bidang Tugas : Ketel Uap
Judul Tugas : Per ancangan Ketel Uap dengan Kapasitas 122 Ton
Uap/Jam untuk Pengolahan 4000 Ton Tebu/Hari (Surve PTPN II Kwala Madu)
Diberikan Tanggal : Selesai Tgl :
Dosen Pembimbing : Ir. Syahrul Abda, M.Sc Nama Mhs. : Raja B.A.M.
Sihombing
N.I.M : 090421025
No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan
Dosen Pemb. 1 08-09-2011 Konsultasi judul
2 12-09-2011 Konsultasi judul dan pemberian
spesifikasi
3 28-09-2011 Asistensi Bab I dan Bab II 4 12-10-2011 Asistensi refisi Bab I dan Bab II 5 27-10-2011 Asistensi refisi Bab I dan Bab II 6 03-11-2011 Asistensi refisi Bab I dan Bab II 7 16-11-2011 Asistensi Bab III
8 25-11-2011 Asistensi dan refisi Bab III 9 10-01-2012 Asistensi dan refisi Bab III 10 25-01-2012 Asistensi Bab IV
11 22-02-2012 Asistensi refisi Bab IV 12 27-04-2012 Asistensi refisi Bab IV
13 23-05-2012 Asistensi refisi Bab IV dan gambar 14 08-06-2012 Asistensi refisi gambar
15 30-06-2012 Asistensi refisi gambar
16 04-07-2012 Aistensi refisi gambar dan persiapan seminar
Catatan:
Diketahui
1. Kartu harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing Ketua P.S. Teknik Mesin
Setiap Asistensi FT. USU
2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi
3. Kartu ini dikembalikan ke Jurusan, bila kegiatan Asistensi telah selesai
DR.ING.Ir. IKHWANSYAH ISRANURI.
JURUSAN TEKNIK MESIN AGENDA : /TS /
PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI DITERIMA : / /
FAKULTAS TEKNIK USU PARAF :
M E D A N
TUGAS SARJANA
NAMA : Raja B.A.M Sihombing
NIM : 090421025
MATA PELAJARAN : Ketel Uap
SPESIFIKASI : Rancang ulang sebuah ketel uap pipa air dengan
kapasitas 122 Ton uap/jam untuk kebutuhan pabrik tebu. Dengan terlebih dahulu melakukan surve lapangan pada PTPN II Kwala Madu untuk mengambil data-data yang diperlukan.
DIBERIKAN TANGGAL : 08 / 09 / 2011
SELESAI TANGGAL : 05 / 07 / 2012
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 05 JUlI 2012
DOSEN PEMBIMBING,
DR.ING.IR. IKHWANSYAH ISRANURI. IR.SYAHRUL ABDA, M.Sc.
NIP. 196412241992111001 NIP. 195708051988111001
ABSTRAK
Mengingat kebutuhan gula saat ini semakin bertambah, maka dibutuhkan pembangunan beberapa pabrik gula, dalam pengoperasian pabrik tersebut dibutuhkan ketel uap untuk mensuplai energi. Pada skripsi ini di rancang sebuah
ketel uap jenis pipa air, dengan kapasitas 122 Ton uap/jam untuk pengolahan 4000 Ton tebu per-hari untuk memenuhi kebutuhan energi pabrik gula. Dengan metodologi perancangan, melakukan surve lapangan pada PTPN II Kwala Madu untuk memperoleh data-data yang diperlukan, dan mengolah data-data yang didapat mempergunakan formula-formula yang terdapat pada buku rujukan. Hasil dari perancangan di dapat volume ruang bakar 170,095 m3, jumlah pipa waterwall 162 buah, jumlah pipa superheater 690 buah, jumlah pipa ekonomizer 165 buah, jumlah pipa alat pemanas udara (APU) 1210 buah, jumlah pipa alat pemanas bahan bakar (APB) 110 buah, dan effisiensi ketel uap 80,87 %. Kesimpulan dari perancangan ini adalah telah berhasil dirancang sebuah Ketel Uap untuk memproduksi 122 Ton uap/Jam yang dipergunakan untuk pengolahan 4000 Ton tebu/hari.
Kata kunci: Perancangan, Pipa Air, Ruang Bakar, Superheater, Waterwall, Ekonomizer, APU, APB, Effesiensi.
ABSTRACT
Given the current needs sugar to grow, it is necessary to the construction of a sugar mill, the operation of the boiler plant needed to supply energy. In this thesis the design of a water tube type boiler with steam capacity of 122 tons of
steam/hour for processing 4000 tons of cane/day to meet the energy needs of the sugar factory. With a design methodology, conduct field surve on PTPN II Kwala Madu to obtain the necessary data, and process the data obtained to use the formulas found in reference books. The results of the design in the combustion chamber volume to 170.095 m3, the number of waterwall tube 162 pieces, 690 pieces of the superheater tube, the tube 165 ekonomizer fruit, the amount of air heater pipe (APU) in 1210 the fruit, the amount of fuel pipeline heating device (APB) 110 fruit, and 80.87% boiler efficiency. The conclusion of the design has been successfully designed a Boiler to produce 122 Ton steam/Hour are used for processing 4000 Tons of cane/day.
Key words: Design, Pipe Air, Space Fuel, superheater, waterwall, Ekonomizer, APU, APB, Effesiensi.
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ABSTRACT
DAFTAR ISI ... i
DAFTAR TABEL ... iv
DAFTAR GAMBAR ... v
DAFTAR NOTASI ... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... xi
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perlakuan Tenaga Dalam Industri Gula ... 2
1.3. Tujuan Perancangan ... 3 1.4. Perumusan Masalah ... 3 1.5. Batasan Masalah ... 4 1.6. Metodologi Perancangan ... 4 1.7. Manfaat Perancangan ... 4 1.8. Sistematika Perancangan ... 4
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Proses Pembentukan Uap ... 6
2.1.1. Uap Basah ... 6
2.1.2. Uap Jenuh ... 7
2.1.3. Uap Panas Lanjut ... 7
2.2.1. Klasifikasi Ketel Uap ... 9
2.2.2. Bagian-bagian Utama Ketel Uap ... 13
2.2.3. Bahan Bakar Ketel Uap ... 14
2.2.4. Nilai Kalor (Heating Value) ... 15
2.2.5. Perpindahan Panas pada Ketel Uap ... 16
BAB 3. PENETAPAN SPESIFIKASI ... 19
3.1. Bahan Bakar ... 19
3.1.1. Nilai Pembakaran ... 19
3.1.2. Kebutuhan Bahan Bakar ... 23
3.1.3. Kebutuhan Udara ... 24
3.1.4. Analisa Gas Asap ... 26
3.1.5. Tekanan Parsial Gas Asap ... 29
3.2. Spesifikasi Ketel Uap ... 30
BAB 4. PERANCANGAN KETEL ... 31
4.1. Perancangan Ruang Bakar Ketel ... 31
4.1.1. Ukuran ruang bakar ... 31
4.1.2. Burner ... 33
4.2. Pipa Air (Waterwall) ... 35
4.2.1. Pipa Waterwall pada Bidang Depan ... 36
4.2.2. Pipa Waterwall Bagian Samping Kanan dan Kiri ... 39
4.2.3. Pipa Waterwall Bagian Belakang ... 40
4.4. Kehilangan Panas ... 42
4.5. Perpindahan Panas pada Ruang Bakar ... 43
4.6. Panas yang Meninggalkan Ruang Bakar ... 45
4.7. Superheater ... 46
4.7.1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 48
4.7.2. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) ... 54
4.7.3. Faktor Koreksi Superheater ... 55
4.7.4. Tinggi Superheater ... 55
4.8. Ekonomiser ... 57
4.8.1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 60
4.8.2. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) ... 65
4.8.3. Faktor Koreksi Ekonomiser ... 66
4.8.4. Tinggi Ekonomiser ... 66
4.9. Alat Pemanas Udara (APU) ... 68
4.9.1. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) ... 70
4.9.2. Faktor Koreksi Alat Pemanas Udara ... 70
4.9.3. Panjang Alat Pemanas Udara ... 71
4.10. Alat Pemanas Bahan Bakar ... 73
4.10.1. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) ... 75
4.10.2. Faktor Koreksi Alat Pemanas Bahan Bakar ... 75
4.10.3. Panjang Alat Pemanas Bahan Bakar ... 76
4.11.1. Uji coba Bahan Drum ... 80
4.11.2. Isolasi Drum Ketel ... 82
4.12. Cerobong Asap ... 85
4.13. Kipas (Fan) ... 87
4.14. Efisiensi Ketel Uap ... 89
BAB 5. HASIL DAN KESIMPULAN ... 91
DAFTAR LITERATUR ... 94
LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
3.1. Komposisi Minyak Residu ... 20
3.2. Hasil Percobaan Bahan Bakar ... 23
4.1. Beban Tungku ... 32
4.2. Neraca Panas ketel Uap ... 89
DAFTAR GAMBAR
2.1. Diagram T-S Proses pembentukan uap ... 8
2.2. Ketel Babcock dan Wilcock ... 9
(Mechanical Engineering. Babcock and Wilcox Boiler. http://mechanical-engineering-info.blogspot.com/2012/02/babcock-and-wilcox-boiler.html) 2.3. Ketel Lokomotif ... 10
(Wikipedia. Glossary of Steam Locomotive Components. http://en.wikipedia.org/wiki/Glossary_of_steam_locomotive_components) 2.4. Ketel Pipa Miring Tegak ... 11
(Scribd. Boiler. http://www.scribd.com/doc/70042674/BOILLER) 2.5. Ketel dengan peredaran alami ... 11
(Marine Insight. The Science Behind Marine Boiler Water Circulation on Ship. http://www.marineinsight.com/tech/the-science-behind-marine-boiler-water-circulation-on-ships/) 2.6. Ketel dengan peredaran paksa ... 12
(Volker Quasching, Dr. Prof. Solar Thermal Water Heating. http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4/index.php) 3.1. Penampang Bomb Kalorimeter ... 22
(Denosan. Bomb Kalorimeter. http://denosan.com/engineer/mechanical-engineer/bomb-kalorimeter) 4.1. Bentuk Ruang Bakar Ketel Uap ... 33
4.2. Penempatan Posisi Burner ... 34
4.3. Susunan Pipa Waterwall ... 36
4.4. Susunan Pipa Waterwall Bagian Depan ... 38
4.6. Sususnan Pipa Waterwall Bagian Belakang ... 41
4.7. Susunan Pipa Superheater ... 52
4.8. Susunan Pipa Ekonomiser ... 63
4.9. Tegangan-tegangan Yang Terjadi Dada Drum ... 80
(Shigley. Joseph E, “Perencanaan Teknik Mesin”, Jilid 1, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1994) 4.10. Temperatur Keluar Cerobong vs Diameter Cerobong ... 86
(R. S. Khurmi, “Heat Engines”, S. Chand & Co. Ltd, New Delhi, 1979)
DAFTAR NOTASI
σ Konstanta Stefan-Boltzman W/m2.K4
ε Emisivitas material -
𝜀𝜀𝑔𝑔 Emisivitas gas asap -
ε c,ε w Emisivitas CO2 dan H2O -
𝛼𝛼𝑔𝑔 Absortivitas gas asap -
∆ε,∆α Faktor koreksi jika CO2 dan H2O terdapat bersama-sama -
αc ,αw Absorbsivitas CO2 dan H2O -
ηk Efisiensi ketel uap %
ω Fraksi uap -
μ Viskositas dinamik Kg/m.s
γ Berat jenis N/m3
ρ Massa jenis Kg/m3
A Luas laluan gas asap m2
Ash Luas bidang pemanas Superheater m2
ASeksi Luas permukaan tiap seksi m2
Aw Luas permukaan bidang pemanas m2
(Aw)tot Luas total pipa waterwall m2
Cp Panas jenis kJ/kg 0C
Cd Jarak antara sumbu pipa m
D0 Diameter luar pipa m
Di Diameter dalam pipa m
fe Factor efectiv pipa -
F Faktor koreksi -
HHV Nilai pembakaran tertinggi kJ/kg
hrf Beban tungku kJ/m3 jam
h Enthalpi J
ho Koefisien perpindahan panas di luar pipa kJ/jam.m2.0C
hi Koefisien perpindahan panas di luar pipa kJ/jam.m2.0C
H Head m
LHV Nilai pembakaran terendah kJ/kg
lpipa Panjang pipa m
lpipa Panjang pipa pemanas m
lseksi Panjang pipa pemanas dalam satu seksi m
K Konduktivitas panas bahan kJ/jam.m.0C
ṁ Laju aliran massa kg/jam
ṁu Laju aliran uap kg/jam
ṁud Laju aliran massa udara kg/jam
mg Laju aliran gas asap kg/jam
N Daya kW
n Jumlah Pipa Buah
Nfan Daya fan kW
np Jumlah pipa pemanas dalam satus eksi buah
P Tekanan Bar
Qbb Panas yang terjadi dalam ruang bakar kJ/jam.
Qwt Panas yang diserap pipa waterwall kJ/jam.
Qsh Panas yang diserap pipa superheater kJ/jam.
Qapb Panas yang diserap bahan bakar kJ/jam.
Qapu Panas yang diserap pemanas udara kJ/jam.
Qek Panas yang diserap pipa ekonomizer kJ/jam.
r Jari-jari luar, dalam drum m
Red Bilangan Reynold -
S Panjang laluan gas asap setelah ruang bakar m
Sn Jarak tube m
Tg Temperatur gas 0C
TSh Tinggi superheater m
Tu
Tek Tinggi ekonomiser m
Tu Temperatur uap 0C
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh kJ/jam.m20C
Vrb Volume ruang bakar m3
𝜈𝜈 Volume spesifik m3/kg
V Kecepatan uap keluar pipa m/s
Vg max Kecepatan gas asap maksimum m/s
Wud Berat udara yang dibutuhkan kg
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 2: Harga Roughness Material
Lampiran 3: Koefesien Kerugian Instalasi Pipa Lampiran 4: Tabel Uap Panas Lanjut
Lampiran 5: Tabel Uap Jenuh
Lampiran 6: Bahan Pipa Waterwall, Superheater, dan Backpass Lampiran 7: Dimensi Pipa Standar JIS dan ANSI
Lampiran 8: Entalphi Api dan Gas Asap Lampiran 9: Kehilangan Panas ke Udara Luar
Lampiran 10: Emisivitas dan Faktor Koreksi CO2 dan H2O
Lampiran 11: Tabel Sifat-sifat Udara Lampiran 12: Faktor Koreksi Superheater
Lampiran 13: koefesien Konduktifitas Bentuk Benda Lampiran 14: Nilai Konduktifitas Logam
Lampiran 15: Pendekatan Nilai Koefesien Perpindahan Panas menyeluruh (Uo)
Lampiran 16: Jenis-jenis Bahan isolasi dan Penerapannya Lampiran 17: Tabel kecepatan Fluida
Lampiran 18: Susunan Tabung Superheater, Backpass. Harga C dan m Lampiran 19: Faktor Keefektifan Pipa Waterwall.
Lampiran 20: Diagram Alir Proses Pabrik Gula
