BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Ketel Uap
Menurut UNEP (2006), Ketel uap adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialihkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalihkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalihkan panas ke suatu proses. Namun jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali dan menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga ketel uap merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.
Sistem ketel uap terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk ketel uap secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam ketel uap. Steam dialihkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke ketel uap untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah:
1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali ke proses.
2. Air make up (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang ketel uap ke plant proses.
2.2 Prinsip Kerja Ketel Uap
adalah media yang berguna dan mudah untuk mengalihkan panas ke suatu proses.
Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali. Sistem ketel uap terdiri dari: sistem air umpan, sistem uap dan sistem bahanbakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk ketel uap secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam ketel uap. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke ketel uap untuk diubah menjadi uap disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan make uap water (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang ketel uap dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi ketel uap yang lebih tinggi digunakan ekonomiser untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. Bahan baku yang digunakan untuk membuat steam adalah air bersih. Air yang telah diproses dialirkan menggunakan pompa ke deaerator tank hingga pada level yang sudah ditentukan. Pemanasan dalam deaerator
adalah dengan menggunakan uap sisa yang berasal dari hasil pemutaran turbin. Dalam hal ini terdapat beberapa tahap sirkulasi steam untuk pemanasan awal deaerator.
2.3 Mekanisme Kerja Ketel Uap
Sistem air umpan menyediakan air untuk ketel uap secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk keperluan perawatan dan mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam ketel uap .
Gambar 2.1 Ketel Uap
Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
Air yang disuplai ke ketel uap untuk dirubah menjadi uap disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan make uap water (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang ketel uap dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi ketel uap yang lebih tinggi, digunakan ekonomiser untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang. Bahan baku yang digunakan untuk membuat steam adalah air bersih. Air yang telah diproses dialirkan menggunakan pompa ke deaerator tank hingga pada level yang sudah ditentukan. Pemanasan dalam deaerator adalah dengan menggunakan uap sisa yang berasal dari hasil pemutaran turbin. Dalam hal ini terdapat beberapa tahap sirkulasi steam untuk pemanasan awal deaerator.
2.4 Klasifikasi Ketel Uap
Berbagai bentuk ketel uap telah berkembang mengikuti kemajuan teknologi dan evaluasi dari bentuk-bentuk ketel uap sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang ketel uap yang mempengaruhi lingkungan dan produk steam yang dihasilkan. Berikut ini beberapa macam klasifikasi ketel uap:
2.4.1 Berdasarkan isi tube/pipa
a. Ketel uap pipa api atau pipa asap (fire tube boiler)
Gambar 2.2 Ketel Uap Pipa Api
Sumber: Buku Ajar Ketel Uap, Sumber Murni, 2012
Ketel uap pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dan tekanan steam yang rendah atau sedang. Sebagai pedoman ketel pipa api kompetitif untuk kecepatan steam 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/ . Ketel uap pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis sebagian besar ketel uap pipa api dikonstruksi sebagai “paket”. Ketel uap dirakit oleh pabrik untuk semua bahan bakar.
b. Ketel uap pipa air (water tube boiler)
Pada ketel uap pipa air, air dimasukkan kedalam pipa dimana pipa dikelilingi oleh nyala api dan gas panas dari luar. Contoh ketel jenis ini: ketel Babcock, ketel La-mont, ketel Benson, ketel Yarrow dan ketel Loeffler.
Adapun keuntungan pemakaian ketel uap pipa air ini adalah sebagai berikut:
1. Menghasilkan uap dengan tekanan lebih tinggi daripada ketel pipa api. 2. Untuk daya yang sama, menenpati ruang/tempat yang lebih kecil daripada
ketel pipa api.
3. Laju aliran uap lebih tinggi.
5. Permukaan pemanasan lebih efektif karena gas panas mengalir keatas pada arah tegak lurus.
6. Pecah pada pipa air tidak meninbulkan kerusakan keseluruh ketel.
Kerugian- kerugian ketel pipa air adalah sebagai berikut:
1. Air umpan mensyaratkan menpunyai kemurnian tinggi untuk mencegah endapan kerak didalam pipa.jika terbentuk kerak didalam pipa bisa menimbulkan panas yang berlebihan dan pecah.
2. Ketel pipa air memerlukan perhatian yang lebih hati-hati bagi penguapanya karena itu akan menimbulkan biaya operasi yang lebih tinggi.
3. Pembersihan pipa air tidak mudah dilakukan.
Gambar 2.3 Ketel uap Pipa Air
Sumber: Sumber Murni, Buku Ajar Ketel Uap
2.4.2 Berdasarkan pemakaiannya
a. Ketel uap stasioner (station boiler) atau ketel tetap
b. Ketel uap Pindah atau portable boiler
Merupakan ketel uap yang dipasang fondasi yang berpindah-pindah (mobil) seperti ketel uap lokomotif, lokomobil, dan ketel panjang serta yang lain sebagainya termasuk ketel kapal (marine boiler)
2.4.3 Berdasarkan letak poros tutup drum (sheel) a. Ketel uap Tegak
Ketel uap tegak seperti tampak pada gambar 2.4.3 (vertical steam boiler). adapun contoh ketel tegak adalah ketel uap cocharn, ketel uap clarkson, dan lainnya.
Gambar 2.4 Ketel Uap Tegak
Sumber: Sumber Murni, Buku Ajar Ketel Uap 2012
b. Ketel Uap Mendatar (Horizontal steam boiler)
Adapun yang termasuk jenis ketel uap ini adalah ketel uap cornish, lancashire, tampak pada gambar 2.4.3.2, scotch dan lain lain.
2.4.4 Berdasarkan bentuk dan letak pipa
a. Ketel uap dengan pipa lurus,bengkok,dan terlekak lekuk (straight, bent, and sinous tubuler heating surface)
b. Ketel uap dengan pipa miring datar dan miring tegak (horizontal, inclinedor vertical turbuler heating surface)
2.4.5 Berdasarkan tekanan kerjanya
a. Ketel uap Peredaran Alami (natural sirculation steam boiler)
Merupakan ketel uap dengan peredaran air di dalam ketel uap terjadi secara alami yaitu air yang ringan naik, sedangkan air yang berat turun sehingga terjadi aliran konveksi alami. Umunya ketel uap bekerja secara aliran alami seperti ketel uap lancashire, babcock, dan wilcox, dan lain-lain.
b.Ketel uap Peredaran Paksa
Merupakan ketel uap dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari pompa sentrifugal yang digerakkan secara electric motor, misalnya sistem aliran paksa pada ketel uap bertekanan tinggi misalnya La-mont boiler, Benson boiler, Loeffer boiler, dan Velcan boiler.
2.4.6 Berdasarkan kapasitasnya a. Tekanan kerja rendah:≤ 5 atm b. Tekanan kerja sedang: >5-40 atm c. Tekanan kerja tinggi :>40-80 atm d. Tekanan kerja sangat tinggi :>80 atm 2.4.7 Berdasarkan pada sumber panasnya a. Ketel uap dengan bahan bakar alami b. Ketel uap dengan bahan bakar buatan c. Ketel uap dengan dapur listrik
d. Ketel uap dengan energi nuklir
Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kerja ketel uap adalah sebagai berikut:
• Faktor laju udara bersih yang disuplai melalui air heater.
terlalu banyak juga akan mengakibatkan terjadinya losses karena pengambilan panas sendiri oleh udara berlebih untuk dibawa bersama gas buang, untuk itulah dilakukan analisa gas asap untuk menentukan kebutuhan udara aktual.
• Temperatur udara pembakaran juga merupakan faktor yang mempengaruhi
efisiensi ketel uap. Temperatur udara pembakaran dapat dinaikkan dengan memanfaatkan temperatur gas buang (flue gas) yang tinggi dengan menggunakan alat pemanas udara (air heater)
• Fouling merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi kerja
ketel uap. Fouling adalah terjadinya deposit atau kerak pada permukaan perpindahan panas yang terjadi pada ketel uap sehingga efisiensi ketel uapnya akan menurun dan temperatur gas buangnya akan semakin tinggi.
• Faktor burner, fungsi dari burner ini adalah untuk mencampur bahan
bakar dan udara dengan proporsi yang sesuai untuk terjadinnya penyalaan api dan untuk menjaga kondisi pembakaran yang terus menerus berlangsung baik. Burner yang tidak diatur dengan baik akan mengakibatkan pencampuran bahan bakar dengan udara tidak sesuai dan pada setiap laju pembebanan akan meningkatkan kebutuhan udara berlebih dan memboroskan pemakaian bahan bakar sehingga efisiensi ketel uap akan turun.
• Blowdown juga berpengaruh terhadap efisiensi ketel uap. Endapan yang
2.5 Komponen –Komponen Ketel Uap
Komponen sistem ketel uap terdiri dari komponen utama dan komponen bantu yang masing-masing memiliki fungsi untuk menyokong prinsip kerja ketel uap.
Gambar 2.6 Bagian-bagian Ketel Uap Sumber: http://air.eng.ui.ac.id
Komponen utama ketel uap terdiri dari: a. Pembakar
Gambar 2.7 Burner
Sumber: http://air.eng.ui.ac.id
b. Ruang bakar
Ruang bakar (furnace) adalah dapur penerima panas bahan bakar untuk pembakaran yang terdapat fire gate di bagian bawah sebagai alas bahan bakar dan yang sekelilingnya adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada dinding ruang pembakaran yang menerima panas dari bahan bakar secara radiasi dan konveksi. c. Drum
Drum merupakan tempat menampung air dari ekonomiser sekaligus sebagai pemisah uap dan air. Pada konstruksi sebuah ketel uap terdapat 2 buah drum yakni drum uap dan drum lumpur. Drum uap berfungsi untuk menampung uap hasil dari sirkulasi. Drum lumpur merupakan drum yang posisinya di bawah drum uap dan berfungsi sebagai pengumpul air panas yang akan didistribusikan ke dalam wall tube. Dalam drum ini terdapat pipa untuk pembuangan berkala. d. Pemanas lanjut
Pemanas lanjut (superheater) adalah peralatan yang berfungsi untuk menaikkan temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut sesuai dengan kebutuhan untuk menggerakkan turbin. Karena uap yang terbentuk dari pemanasan di dalam pipa-pipa di ruang bakar berada dalam wujud jenuh atau basah maka jika uap yang demikaan diekspansi ke turbin akan menimbulkan penimbunan yang cepat.Superheater dibedakan atas dua jenis yaitu:
a) Low Temperature superheater (LTS)
Uap dari LTS juga digunakan untuk steam atomizing yang membantu proses pembakaran agar bahan bakar dapat terbakar sempurna.
Besar energi panas yang diserap oleh Low temperature superheater (LTS) untuk mengubah air menjadi uap dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini.
QLTS = Ws x Hout − Hin kj/jam ... (1)
Dimana:
QLTS = Panas yang diserap oleh low temperature superheater (kj/jam) Ws = kapasitas aliran uap (kg/jam)
Hout = entalpi keluar LTS (kJ/kg) Hin = entalpi masuk LTS (KJ/kg)
b) High Temperature Superheater
Uap hasil pemanasan LTS selanjutnya mengalir ke High Temperature Superheater (HTS) yang terletak pada bagian gas sangat panas. Sebagian HTS terletak tepat diatas ruang bakar, oleh karena itu teransfer panas yang diperoleh oleh HTS adalah secara radiasi dan konveksi. Kemudian uap panas yang diperoleh dari HTS mengalir ke turbin.
Besar panas yang diperoleh oleh HTS untuk menghasilkan uap yang dialirkan ke turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Q HTS = Ws x H out − Hin kJ/jam ... 2) Dimana:
QHTS = Panas yang diserap oleh High temperature superheater (kJ/jam) Ws = kapasitas aliran uap( kJ/jam)
Hout = entalpi keluar HTS (kJ/kg) Hin = entalpi masuk HTS (Kg/kg)
e. Pemanas udara
Pemanas udara (air heater) adalah alat pemanas udara penghembus
digunakan untuk memanaskan udara pembakaran didalam air heater. Air
heater merupakan salah satu alat yang meningkatkan efisiensi ketel.
Karena memanfaatkan kalor yang terkandung pada gas buang hasil
pembakaran untuk memanaskan udara. Udara yang telah mengalami
proses pemanasan di air preheater selanjutnya dialirkan melewati air heater
untuk dipanaskan kembali. Proses transfer panas yang terjadi di air heater
adalah secara konveksi. Temperatur udara setelah dipanaskan di air heater
diharapkan 108℃ agar memudahkan proses pembakaran.
f. Dust collector
Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu pada sepanjang aliran gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang.
g. Soot blower
Soot blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga atau abu yang menempel pada pipa-pipa.
Kompenen pendukung ketel uap terdiri dari: a. Tangki air umpan
Gambar 2.8 Tangki Air Umpan Sumber: PT. Multimas Nabati Asahan
b. Pompa air umpan
Pompa air umpan (feed water pump) berfungsi untuk mengalirkan air umpan dari tangki menuju ketel uap. Biasanya pompa yang digunakan pompa jenis sentrifugal. Pompa air umpan ini terdapat dua tipe yakni pompa yang digerakkan oleh turbin dan pompa yang digerakkan oleh motor.
c. Sea Water Desalination
Sea water desalination merupakan alat untuk memurnikan air, yaitu memisahkan air dengan kadar garam yang dikandungnya agar diperoleh air dengan kadar garam yang rendah (fresh water).
Gambar 2.10 Sea Water Desalination Sumber: PT. Multimas Nabati Asahan
d. Softener
Softener merupakan alat yang berfungsi untuk mengeliminasi unsur-unsur Mg dan Ca yang terdapat pada air umpan. Unsur-unsur-unsur tersebut harus diminimalkan untuk memperlambat pembentukan kerak (scale) pada pipa-pipa evaporator yang akan meneruskan perpindahan panas. Prinsip kerjanya dengan cara pertukaran ion.
e. Deareator
Gambar 2.11 Deareator Sumber: PT. Multimas Nabati Asahan
f. Ekonomiser
Ekonomiser merupakan alat yang berfungsi sebagai pemanas air umpan sebelum masuk ke drum ketel uap. Sisa panas gas hasil pembakaran yang akan dibuang ke atmosfer melalui stack terlebih dahulu dilewatkan ke ekonomiser sehingga mengurangi panas gas buang sisa pembakaran dan menaikkan temperatur air umpan ketel uap.
g. Force Draft Fan
Force draft fan merupakan alat bantu ketel uap yang berfungsi sebagai penghembus udara. Force draft fan ini boleh dijalankan apabila induced draft fan sudah dijalankan terlebih dahulu. Udara yang dihembuskan force draft fan dilewatkan melalui air heater terlebih dahulu supaya mendapatkan udara penghembus bersuhu tinggi.
h. Induced Draft Fan
Induced draft fan merupakan alat bantu ketel uap yang berfungsi sebagai penghisap gas asap sisa pembakaran bahan bakar yang keluar dari ketel uap.
2.6 Ekonomiser
Ekonomiser adalah alat pemindah panas berbentuk tubular yang digunakan untuk memanaskan air umpan ketel uap sebelum masuk ke ketel uap. Istilah ekonomiser diambil dari kegunaan alat tersebut, yaitu untuk menghemat (to economize) penggunaan bahan bakar dengan mengambil panas (recovery) gas buang sebelum dibuang ke atmosfir.
Konstruksi ekonomiser adalah berdasarkan tipenya, yaitu tipe ekonomiser yang tidak menyatu dengan ketel uap, dan ada juga ekonomiser yang menyatu dengan ketel uap. Perbedaan keduanya hanyalah pada peletakkan tempat pada penyusunan komponen dalam suatu pabrik. Pada ekonomiser yang dihubungkan langsung dengan ketel uap dan terpasang langsung saat dikeluarkan dari pabrikannya. Dalam hal ini, spesifikasi alatnya bukan lah dari tipe ekonomiser melainkan tipe dari ketel uap itu sendiri yaitu ketel uap recovery atau bisa juga disebut ketel uap ekonomiser.
Kinerja ekonomiser ditentukan oleh fluida yang mempunyai koefisien perpindahan panas yang rendah yaitu gas. Kecepatan perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan panas total dengan cara mengatur susunan tubing/properti fin dan meningkatkan luas kontak perpindahan panas. Respon yang dihasilkan oleh ekonomiser adalah efektifitas perpindahan panas dan biaya operasi. Efektifitas perpindahan panas adalah besarnya energi yang dapat terambil dari total jumlah energi yang dapat diserap. Semakin besar efisiensi perpindahan panas pada ekonomiser, semakin panas gas sisa semakin banyak yang terambil. Semakin besar efektivitas perpindahan panas yang terjadi, maka alat tersebut semakin efisien.
Ekonomiseradalah piranti yang digunakan untuk memanaskan air
umpan dengan memamfaatkan panas dari gas asap sebelum masuk
cerobong. Ekonomiser merupakan salah satu peralatan yang
meningkatkan efisiensi ketel uap karena memanfaatkan kalor yang
terkandung dalam flue gas sebelum terbuang ke atmosfer melalui stack.
Dengan kata lain dengan adanya ekonomiser maka ketel uap telah
menghemat konsumsi bahan bakar. Ekonomiserterdiri dari pipa–pipa air
yang ditempatkan pada lintasan gas asap sebelum meninggalkan ketel
uap. Transfer panas yang terjadi pada ekonomiseradalah secara konveksi.
Artinya flue gas memberikan panas pada pipa–pipa ekonomiser sehingga
temperatur air yang ada di dalam pipa– pipa naik dari 153℃ sampai
198℃. Pipa – pipa ekonomiser terbuat dari bahan baja yang sanggup
menahan panas dan tekanan tinggi. Pada pipa – pipa ekonomiser sering
sekali terjadi kerusakan. Beberapa penyebab kerusakan yang sering terjadi
pada pipa – pipa ekonomiser adalah acid attack, shortthermoverheat,
mechanical fatique, slagging, scalling.
Gambar 2.15 Ekonomiser
Sumber: www.energyefficiencyasia.org
Apabila temperatur flue gas melalui ekonomiserterlalu tinggi maka
dapat terjadi overheat pada pipa-pipa ekonomiser yang mengakibatkan
mengakibatkan pipa ekonomiser bocor akibat diferensial temperatur.
Kerusakan pipa ekonomiser pada bagian dalam pipa (sisi air) dapat
dihindarkan dengan jalan melunakkan air pengisi terlebih dahulu, dan
kerusakan pipa ekonomiser pada bagian luar pipa (sisi gas asap) diatasi
dengan mempertahankan temperatur flue gas di atas titik embun gas
sulfur dan melakukan soot blowing secara berkala.
Besar panas yang diserap oleh ekonomiser ini akan dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Qeco = Ws x Cp air Tout − Tin kJ/jam ... (3)
Dimana :
Qeco = Panas yang diserap oleh ekonomiser (kJ/jam) Ws = Kapasitas aliran uap (kJ/jam)
Cpair = Panas jenis air (kJ/kg℃)
Tout = Temperatur keluar ekonomiser ℃ Tin = Temperatur masuk ekonomiser ℃
2.7 Bahan Bakar
Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa diubah menjadi energi. Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Proses lain untuk melepaskan energi dari bahan bakar adalah melalui reaksi eksotermal dan reaksi nuklir (seperti fisi nuklir atau fusi nuklir). Hidrokarbon (termasuk di dalamnya bensin dan solar) sejauh ini merupakan jenis bahan bakar yang paling sering digunakan manusia. Bahan bakar lainnya yang bisa dipakai adalah logam radioaktif.
Bahan bakar hanya dapat terbakar bila sudah cukup panas. Proses pembakaran merupakan proses kimia antara bahan bakar, udara dan panas. Proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar ketel (ketel uap) bertujuan untuk merubah air menjadi uap.
Pengetahuan mengenai sifat bahan bakar membantu dalam memilih bahan bakar yang benar untuk keperluan yang benar dan untuk penggunaan bahan bakar yang efisien. Uji laboratorium biasanya digunakan untuk mengkaji sifat dan kualitas bahan bakar. Jadi untuk melakukan pembakaran diperlukan tiga unsur, yaitu :
a. Bahan bakar b. Oksigen
c. Suhu untuk memulai pembakaran
Berbagai jenis bahan bakar (seperti bahan bakar cair, padat, dan gas) yang tersedia tergantung pada berbagai faktor seperti biaya, ketersediaan, penyimpanan, handling, dan lain-lain.
➢ Bahan bakar padat
Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat dan kebanyakan menjadi sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk menggerakkan peralatan dan menyediakan energi. Bahan bakar padat yang terdapat di bumi kita ini berasal dari zat-zat organik. Bahan bakar padat mengandung unsur-unsur antara lain: Zat arang atau Karbon (C), zat lemas atau Nitrogen (N), Hidrogen (H), Belerang (S), zat asam atau Oksigen (O), Abu dan Air yang kesemuanya itu terikat dalam satu persenyawaan kimia.
➢ Bahan bakar cair
kandungan hidrogennya. Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan beberapa macam fraksi, seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak petroleum mentah mengandung keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya berbeda.
Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya pada ladang-ladang minyak, dan memompanya sampai ke atas permukaan bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.
➢ Bahan bakar gas
Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquid Petroleum Gas (LPG). CNG pada dasarnya terdiri dari metana sedangkan LPG adalah campuran dari propana, butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang digunakan untuk kompor rumah tangga sama bahannya dengan bahan bakar gas yang biasa digunakan untuk sebagian kendaraan bermotor Di dalam tanah banyak terkandung gas bumi (Petrol Gas) atau sering disebut pula dengan gas alam, yang timbul pada saat proses pembentukan minyak bumi, gas tambang, dan gas rawa CH4 (Methane). Seperti halnya dengan minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran dari dalam tanah, baik di daratan maupun pada lepas pantai terhadap lokasi-lokasi yang diduga terdapat kandungan gas alam.
Jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:
2.8 Siklus Rankine
Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.
Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.
Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 480℃ (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30℃.
Gambar 2.16 Bagan Sederhana Siklus Rankine
Gambar 2.17 Diagram T-S Siklus Rankine
Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri dari 4 tahapan proses :
1 – 2 Proses kompresi isentropik dengan pompa
2 – 3 Penambahan panas dalam ketel uap pada P = konstan
3 – 4 Ekspansi isentropik ke dalam turbin
4 – 1 Pelepasan panas di dalam kondensor pada P = konstan
Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan
dikompresi sampai tekanan operasi ketel uap. Temperatur air akan
meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikit pengurangan
dari volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1–2 pada T–s diagram ini
biasanya dilebihkan untuk lebih amannya proses.
Air memasuki ketel uap sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2
dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3, dimana panas diberikan
oleh ketel uap ke air pada T tetap. Ketel uap dan seluruh bagian yang
menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator.
Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin
memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga
dihasilkanlah listrik. P dan T dari steam akan turun selama proses ini
menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya
sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan di
dalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh
yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.
Area dibawah kurva proses 2–3 menunjukkan panas yang ditransfer ke ketel uap, dan area dibawah kurva proses 4–1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondenser. Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.
Penyimpangan Siklus Rankine
Penyimpangan dalam siklus Rankine yang terjadi karena:
1. Adanya friksi fluida yang menyebabkan turunnya tekanan di
ketel uap dan kondensor sehingga tekanan steam saat keluar ketel uap
sangat rendah sehingga kerja yang dihasilkan turbin (Wout) menurun dan
efisiensinya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan meningkatkan
tekanan fluida yang masuk.
2. Adanya kalor yang hilang ke lingkungan sehingga kalor yang
diperlukan (Qin) dalam proses bertambah sehingga efisiensi termalnya
berkurang.
Penyimpangan ini terjadi karena adanya irreversibilitas yang terjadi pada pompa dan turbin sehingga pompa membutuhkan kerja (Win) yang lebih besar dan
Gambar 2.18 Penyimpangan Siklus Rankine Sumber: www.academia.edu
2.9 Jenis-jenis Perpindahan Panas 1. Konduksi
Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi
terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang
berbeda yakni T1>T2. Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan
perpindahan panas secara konduksi pada arah x positif. Dapat diukur laju
perpindahan panas qx, dan kita dapat menentukan qx bergantung pada
variabel-variabel berikut: ΔT, yakni perbedaan temperatur; Δx, yakni
panjang batang; dan A, yakni luas penampang tegak lurus bidang.
Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa
∞�∆∆� ... (5)
Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi melalui sebuah percobaan
Gambar 2.19 Perpindahan Panas Secara Konveksi Sumber: Incropera.
Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik,
kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun,
kita juga menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama akan
logam. Sehingga kesebandingan di atas dapat ditulis dalam bentuk
persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh
material. Sehingga diperoleh,
�= �∆∆� ... (6)
k, adalah konduktivitas termal (W/m.K), yang adalah merupakan
sifat material yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 kita
mendapatkan persamaan untuk laju perpindahan panas,
�= �∆∆� ... (7) Atau persamaan fluks panas menjadi
"
� = ��= − �
�� ... (8)
2.10 Konveksi
Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi,
dan radiasi. Konduksi dan konveksi membutuhkan media perantara
dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada
konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.
Gambar 2.20 Pendinginan Sebuah Balok Yang Panas Dengan Konveksi
Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan
� ���� = ℎ� � − ∞ ... (9) h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.
2.11 Radiasi
Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas. Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.
juga memancarkan energi radiasi yang merata dalam segala arah dalam setiap unit area searah dengan arah emisi, yang disebut sebagai pemancar diffuse. Diffuse dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat kita lihat pada gambar berikut
Gambar 2.21 Blackbody disebut sebagai Pemancar Dengan Arah yang Bebas
Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan pada tahun 1879 dan dapat dituliskan
= � ... (10) σ = 5,67 x − W/ .� adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara teori pada tahun 1884 oleh Ludwig Boltzman. Eb merupakan kekuatan emisifitas blackbody.
2.12 Log Mean Temperature Differance (LMTD)
Gambar 2.22 Distribusi Suhu Dalam Air Heater Untuk Jenis Aliran Counterflow Sumber: Incropera,F.P. and D.P. Dewitt,1981
Keterangan:
Th,i = Temperatur inlet pada sisi panas, k Th,o= Temperatur outlet pada sisi panas, k Tc,i = Temperatur inlet pada sisi dingin, k Tc,o= Temperature outlet pada sisi dingin, k
Maka nilai LMTD dapat dihitung dengan menggunakan persamaan =∆ −∆∆�
∆�
= ∆ −∆∆� ∆�
... (11)
Dimana
∆T1=Th,i-Tc,o ∆T2=Th,o-Tc,i
Untuk mencari perpindahan panas pada air heater ini dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :
Q = U A LMTD JOULE ... (12) Dimana:
A = Luas perpindahan panas ( )
U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh =
ℎ�� � +ℎ�. � ��
2.13 Proses Pembentukan Uap
Sebagai fliuda kerja di ketel uap, umumnya digunakan air (H₂O)
karena bersifat ekonomis, mudah di peroleh, tersedia dalam jumlah yang
banyak, serta mempuyai kandungan entalpi yang cukup tinggi bila
dibandingkan dengan fluida kerja yang lain.
Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan
menjadi uap. Apabila panas diberikan pada air, maka suhu air akan naik.
Naiknya suhu air akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika
panas terus bertambah secara perlahan-lahan, maka kecepatan gerak air
akan semakin meningkat pula, hingga sampai pada suatu titik dimana
molekul-molekul air akan mampu melepaskan diri dari lingkungannya
(100°C) pada tekanan 1 [kg/cm²], maka air secara berangsur-angsur akan
berubah fasa menjadi uap dan hal inilah yang disebut sebagai penguapan.
Proses perubahan fasa air menjadi uap dapat digambarkan pada diagram
T-S seperti gambar dibawah:
Gambar 2.23 Diagram T-S
Keterangan:
1-2 : Pipa-pipa evaporator pipa penguap
2-3 : Pipa-pipa superheater
1-3 : Proses pemanasan air dan uap pada ketel uap
Dimana:
Qsat = Energi panas yang diperlukan untuk mengubah air
menjadi uap(kJ/jam)
Ws = Kapasitas aliran uap (kg/jam)
Hsat = Entalpi uap saturasi
2.14 Nilai Kalor (Heating Value)
Nilai kalor merupakan energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Bahan bakar adalah zat kimia yang apabila direaksikan dengan oksigen (O₂) akan menghasilkan sejumlah kalor. Bahan bakar dapat berwujud gas, cair, maupun padat. Selain itu, bahan bakar merupakan suatu senyawa yang tersusun atas beberapa unsur seperti karbon (C), hidrogen (H), belerang (S), dan nitrogen (N). Kualitas bahan bakar ditentukan oleh kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi. Kemampuan bahan bakar untuk menghasilkan energi ini sangat ditentukan oleh nilai bahan bakar yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dihasilkan pada proses pembakaran per satuan massa atau per satuan volume bahan bakar. Nilai pembakaran ditentukan oleh komposisi kandungan unsur di dalam bahan bakar.
Dikenal dua jenis pembakaran, yaitu: 1. Nilai Kalor Pembakaran Tinggi
Nilai kalor pembakaran tinggi atau juga dikenal dengan istilah High Heating Value (HHV) adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari proses pembakaran ikut diperhitungkan sebagai panas dari proses pembakaran.
Dirumuskan dengan:
HHV = 33950C + 144200 (H2 - O2/8) + 9400S kJ/kg ...
... (14) 2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah
Dirumuskan dengan:
LHV = HHV - 2400 (M + 9H2) kJ/kg ... (15)
2.15 Kebutuhan Udara Pembakaran
Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan
oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara
sejumlah energi. Senyawa-senyawa yang merupakan hasil dari reaksi
pembakaran disebut gas asap.
a. Berat gas asap teoritis (Gt)
Gt = Ut + (1-A)
kg/kgBB...(18)
Dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar (ash)
Gas asap yang terjadi terdiri dari:
➢ Hasil reaksi atas pembakaran unsur-unsur bahan bakar dengan O2 dari
udara seperti CO2, H2O, SO2
➢ Unsur N2 dari udara yang tidak ikut bereaksi
➢ Sisa kelebihan udara
Dari reaksi pembakaran sebelumnya diketahui:
1 kg C menghasilkan 3,66 kg CO2
1 kg S menghasilkan 1,996 kg SO2
Maka untuk menghitung berat gas asap pembakaran perlu
dihitung dulu masing-masing komponen gas asap tersebut (Ir. Syamsir A.
Muin, Pesawat pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:196) yaitu:
Berat CO2 = 3,66 C kg/kg
Berat SO2 = 2 S kg/kg
Berat H2O = 9 H2 kg/kg
Berat N2 = 77% Us kg/kg
Berat O2 = 23% 20% Ut
Dari perhitungan di atas maka akan didapatkan jumlah gas asap:
(Gs) = W CO2 + W SO2 + W H2O + W N2 + W O2...(19)
b. Berat gas asap sebenarnya (Gs)
Gs = Us + (1-A)
kg/kgBB...(20)
Untuk menetukan komposisi dari gas asap didapatkan:
Kadar gas = (W gas tersebut / W total gas) x 100%
2.17 Volume Gas Asap
Jumlah oksigen adalah 21% jumlah udara pembakaran. Maka:
V(o2) = 21% (Va)act
Pada persamaan tersebut belum termasuk oksigen yang dikandung
dalam bahan bakar. Oksigen yang terdapat dalam bahan bakar tergantung
persentasenya. Dengan demikian maka volume gas asap basah adalah :
H2 = Nilai Hidrogen bahan bakar
2.18 Perhitungan Efisiensi Ketel Uap
Daya guna (efisiensi) ketel uap adalah perbandingan antara konsumsi panas dengan suplai panas (Ir. Syamsir A. Muin, Pesawat-pesawat konversi 1 (Ketel Uap) 1988:223).
Efisiensi ketel uap =Panas Pembentukan uap panas masuk
Efisiensi ketel uap n = LH− ... (22)
Keterangan:
w = Kapasitas produksi uap ( kg uap/jam ) w = Konsumsi bahan bakar ( kg/jam ) h = Entalpi uap ( kJ/kg )
