5 BAB II
LANDASAN TEORI 2.1 Boiler
Boiler merupakan sebuah alat yang dapat menghasilkan uap panas (steam) dalam kondisi tekanan dan temperatur tertentu yang dapat digunakan sebagai sumber energi panas untuk proses tertentu. Uap air yang dihasilkan dari boiler tersebut berasal dari pembakaran bahan bakar tertentu (misal : solar, kayu, dan lainnya) yang digunakan untuk memanaskan air dalam wadah tertutup.
Karena menggunakan air sebagai media transfer panas, maka sistem komponen boiler dapat terdiri : sistem air umpan, sistem aliran uap (steam), dan sistem umpan bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan 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. Berikut ini adalah contoh skema dari boiler yang sederhana (UNEP, 2006).
Gambar 2.1. Skema boiler secara umum (sumber : UNEP, 2006)
6 2.2 Jenis Boiler
Jenis boiler yang ada di lapangan sangat beragam, mulai dari bentuknya, hingga jenis bahan bakar yang digunakan bisa bervariasi jumlahnya. Adapun secara umum, terdapat 4 jenis boiler yang paling banyak digunakan, yaitu :
a. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm
2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Gambar 2.2 Fire tube boiler (sumber : UNEP 2006) b. Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.
Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara
4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers
yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas.
7 Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.
Gambar 2.3 Water tube boiler (sumber : UNEP 2006)
c. Paket Boiler
Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.
Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:
Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.
Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.
Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.
Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik.
Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler
lainnya.
8 Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya – yaitu berapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/ lintasan dengan dua set fire- tube/ pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.
Gambar 2.4 Paket boiler (sumber : UNEP 2006) d. Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)
Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan – rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx.
Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya.
Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas ya ng luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam.
Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas
melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel
tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya
berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi
9 dalam aliran udara – bed tersebut disebut“terfluidisasikan”. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida - “bed gelembung fluida/ bubbling fluidized bed”.
Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam.
Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840
OC hingga 950
OC. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.
2.3 Kinerja Boiler
Boiler berfungsi untuk mendidihkan air sehingga memproduksi uap air.
Sehingga pada umumnya kita lebih memahami bahwa boiler adalah sebuah alat untuk memproduksi uap air. Prinsip kerja boiler sebenarnya cukup sederhana sama seperti pada saat kita sedang mendidihkan air menggunakan panci. Proses pendidihan air tersebut akan selalu diiringi proses perpindahan panas yang melibatkan bahan bakar, udara, material wadah air, serta air itu sendiri. Proses perpindahan panas ini mencakup tiga jenis perpindahan panas yang sudah sangat kita kenal yakni konduksi, konveksi, dan radiasi. (V. Ganapathy, 2014 )
Satu cara yang dianggap paling efektif untuk mengetahui performa boiler
secara lebih presisi adalah dengan menghitung efisiensi nya (biasa pula disebut
dengan efisiensi bahan bakar). Selain memperhatikan efektifitas boiler sebagai
heat exchanger (efisiensi termal), perhitungan efisiensi bahan bakar boiler juga
memperhatikan adanya losses (kerugian) akibat adanya perpindahan panas radiasi
10 dan konveksi. Efisiensi bahan bakar boiler memperhatikan dengan sangat teliti jumlah konsumsi bahan bakar yang digunakan, sehingga sangat tepat digunakan sebagai bahan analisa ekonomis boiler. Rumusan sederhana dari perhitungan metode langsung adalah sebagai berikut :
(Muthukumar, et al. 2012)η
=
(𝑀𝑤 𝑥 𝐶𝑝𝑤)+ (𝑀𝑏 𝑥 𝐶𝑝𝑏) 𝑥 (𝑇2−𝑇1)+ 𝑀𝑢 𝐻𝑀𝑓 𝑥 𝐸
×100%... (2.1)
dimana,
η : Efisiensi bahan bakar boiler (%) 𝑀𝑤 : Massa Air (kg)
𝐶𝑝𝑤 : Panas Spesifik Air (kj/kg) 𝑀𝑏: Massa Bejana (kg)
𝐶𝑝𝑏 : Panas Spesifik Bejana (kj/kg) 𝑇1 : Temperatur Awal Air (⁰C)
𝑇2: Temperatur Air Mendidih Maksimal (kg/jam) 𝑀𝑢 : Massa Uap (kg)
𝐻 : Panas Laten Air Menguap (kj/kg) 𝑀𝑓 : Massa Bahan Bakar Terpakai (kg) E : Nilai Kalor Bahan Bakar (kj/kg)
2.4 Pengertian Dehumidifier
Dehumidifier adalah alat yang digunakan untuk mengurangi kelembaban udara melalui proses dehumidifikasi. Proses dehumidifikasi merupakan suatu proses penurunan ratio kelembaban dan entalphi, kegunaan dari dehumidifier yang biasa kita temui di bidang farmasi, pertanian dan produksi makanan. Penggunaan dehumidifier yang banyak digunakan yaitu :
1. Refrigerant dehumidifier.
2. Dessicant dehumidifier
(Yugo,2015)
11 Berdasarkan penelitian yang telah ada di lab saya selaku penulis tidak membahas entang Dessient dehumidifier karena tidak termasuk ruang lingkup masalah.
2.4.1 Refrigerant dehumidifier
Prinsip dari refrigerant dehumidifier merupakan konsep yang simple. Jika di udara dibawah suhu dew point, uap air akan terkondisi pada permukaan dinding.
Dengan kata lain penyerapan uap air dilakukan dengan proses pendinginan dan kondensasi.
Pengering udara berbasis sitem kompresi uap merupakan metode yang paling praktis. Pengering udara dengan mendinginkan untuk menyerap uap air dan memanaskan untuk menurunkn kelembaban relatif merupakan teknik yang umum dan masih banyak digunakan di aplikasi industri. (Mahfud Box,2013)
Gambar.2.6 Refrigerant Dehumidifier
Untuk melihat besaran-besaran seperti tekanan, suhu, enthalpy dalam siklus refrigerasi biasanya digunakan diagram P-h refrigeran tertentu. Ada banyak jenis refrigeran, setiap refrigeran memiliki diagram P-h yang berbeda-beda.
Refrigeran yang biasa di pasaran antara lain R22, R134a, R12, dan lain-lain.
Beberapa jenis refrigeran sudah tidak dijual karena alasan merusak lingkungan.
Walaupun refrigeran memiliki diagram P-h yang berbeda-beda, namun pola siklus refrigerasinya sama dan dengan cara yang sama pula dapat diketehui dan analisis besaran-besaran tersebut.
Siklus refrigerasi dapat dapat digambarkan dalam diagram P-h seperti pada
gambar.
12
Berikut penjelasan siklus refrigerasi ideal dalam diagram P-h (gambar)
1 ke 2, Proses kompresi menyebabkan kenaikan tekanan dari tekanan rendah (LP) ke tekanan tinggi (HP). Proses ini berlangsung secara isentropik. Garis 1 ke 2 mengikuti garis isentropik pada diagram P-h. Karena berlangsung secara isentropik maka entropi pada titik 1 dan titik 2 adalah sama. Kondisi pada titik 1 berupa saturasi gas dan dan titik 2 dalam keadaan superheated. Enthalpynya naik dari h1 ke h2. Refrigeran pun mengalami kenaikan suhu.
(dossat,1981
).Untuk proses ini memerlukan kerja, besarnya kerja yang dilakukan adalah:
Wcom = ( ℎ
2– ℎ
1) ...(2.2) Keterangan :
ℎ
1= enthalpy refrigerant yang masuk kompresor (kj/kg) ℎ
2= enthalpy refrigreant saat keluar kompresor (kj/kg)
atau dalam kata lain kerja kompresor dihitung dari selisih antara enthalpy ( h2- h1 ) adapun untuk mengetahui laju aliran massa refrigerant pada kompresor dapat dihitung sebagai berikut :
ṁ =
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑞𝑤...(2.3) Keterangan :
ṁ = laju aliran refrigerant (kg/s)
Wcom = daya kompresor (w)
13 qw = besarnya kerja kompresor (kj/kg)
2 ke 3, Proses kondensasi ini terjadi pada tekanan yang sama (Isobarik).
Dalam proses ini terjadi pelepasan kalor sehingga terjadi penurunan suhu dan enthalpy refrigeran sampai dengan saturasi gas (2a). Kemudian refrigeran terus melepaskan kalor dan mulai berubah menjadi cair. Dari titk 2a ke titik 3 tidak terjadi penurunan suhu tetapi terjadi perubahan fasa. Karena terjadi pelepasan kalor maka refrigeran mengalami penurunan enthalpy dari h2 ke h3. Besarnya kalor yang dilepaskan pada proses ini yaitu :
Qc = ṁ . 𝑞
𝑐= ℎ
2- ℎ
3...(2.4) Keterangan :
ṁ = laju aliran masa refrigerant (kg/s) 𝑞
𝑐= efek pemansan (kj/kg)
ℎ
2= enthalpy refrigerant yang masuk kondensor (kj/kg) ℎ
3= enthalpy refrigerant yang keluar kondensor (kj/kg)
3ke 4, Proses ekspansi ini terjadi secara isoenthalpy sehingga enthalpy di titik 3 dan titik 4 adalah sama. Tekanan pada titik 3 masih tekanan tinggi (LP) kemudian turun hingga titik 4 di tekanan rendah (LP). Penurunan tekanan ini disertai dengan penurunan suhu. Kondisi refrigeran yang tadinya saturasi cair (titik 3) menjadi campuran gas dan cair. 4 ke 1, Proses evaporasi ini terjadi pada tekanan yang sama (isobarik). Dalam proses ini terjadi penarikan kalor sehingga terjadi kenaikan enthalpy. Suhu tidak mengalami kenaikan karena kalor yang diambil digunakan untuk mengubah fasa dari yang tadinya campuran (titik4) menjadi gas jenuh (titik 1). Dalam proses inilah terjadi pendinginan terhadap objek karena kalor pada objek ditarik oleh refrigeran dalam evaporator. Kapasitas pendinginan ditentukan pada proses ini yaitu besarnya penarikan kalor. Pada proses ini berlaku:
Qe = ṁ . qe = ℎ
1- ℎ
4...(2.5)
Keterangan :
14 Qe = efek refrigerasi (kj/kg)
ṁ = laju aliran refrigerant (kj/s)
ℎ
1= enthalpy refrigerant yang masuk kompresor (kj/kg) ℎ
4= enthalpy refrigerant yang masuk evaporator (kj/kg) Kondisi aliran udara :
1. Menentukan Volume aliran udara (ὐ)
ὐ = A x ʋ..………...…(2.6) 2. Menetukan Massa udara yang mengalir (ṁ)
ṁud = ὐ x ρud ...(2.7) 3. Menetukan Energi yang diperlukan (Q)
Q = ṁud x (h2 – h1)………...………(2.8)
2.5 PengertianPsikometrik
Psikometrik merupakan sesuatu tentang sifat-sifat campuran udara dengan uap air, yang mempunyai arti yang sangat penting dalam pengkondisian udara. Karen audara pada atmosfir merupakan percampuran antara udara dan uap air, jadi tidak benar-benar kering.
Kandungan uap air dalam udara pada untuk suatu keperluan harus dibuang atau malah ditambahkan.(Dimas Yulianto,2010)
Berikut ini akan dibahas parameter udara pada diagram psikometrik untuk keperluan perancangan dehumidifier yaitu:
2.5.1 Dry Bulb Temperature (DB)
Kondisi suhu campuran antara udara dan uap air yang diukur dan dibaca
melaluiskala termometer, tidak tergantung kepada intensitas uap air yang
terkandung dalam udara (Zain et al., 2005). Suhu bola kering dapat dibaca pada
termometer dengan sensor bola kering (Yani, 2003). Dalam proses kesetimbangan
kalor, suhu bola kering berpengaruh terhadap intensitas kalor yang diproduksi
melalui penguapan (evaporasi) maupun konveksi (Zain et al., 2005).
15 2.5.2 Wet Bulb Temperature (WB)
Kondisi suhu saat terjadi kesetimbangan antara campuran udara dan uap air. Suhu bola basah pada udara lembab dan air dicapai jika udara secara adiabatis telah jenuh oleh penguapan uap air (Zain et al., 2005). Suhu bola basah disebut juga suhu jenuh adiabatik yang diperoleh menggunakan termometer dengan sensor yang dibalut dengan kain basah untuk menghilangkan pengaruh radiasi panas, tetapi perlu diperhatikan bahwa sensor harus dialiri udara dengan kecepatan minimal 5 m/s (Yani, 2003).
2.5.3 Dew Point Temperture (DP)
Suhu dari campuran udara terjadi kondensasi ketika udara didinginkan.
Kondensasi terjadi pada kelembaban mutlak dan tekanan parsial yang konstan karena kalor yang terkandung dalam Tekanan parsial uap air yang ditimbulkan oleh molekul uap air di dalam udara lembab pada suhu konstan. Apabila udara mencapai kondisi jenuh, maka tekanan uap air tersebut disebut tekanan uap air jenuh (Pvs) (Zain et al.,
2.5.4 Entalpi (h)
Sifat termal dari campuran udara dan uap air yang menunjukkan intensitas kalor dalam udara lembab per-satuan massa udara kering di atas suhu acuan, dihitung dengan persamaan berikut (Zain et al., 2005)
