5
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Pembangkit Tenaga Kelapa Sawit
Dalam pembangkit listrik tenaga uap, energi primer yang dikonversikanmenjadi energi listrik adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapatberupa batubara (padat), minyak (cair), dan gas.
Konversi energi tingkat yang pertama yang terjadi di pembangkit listriktenaga uap adalah konversi energi dari bahan bakar atau energi kimia menjadi energi panas (kalor). Hal inidilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap. Energi panas ini kemudiandipindahkan ke dalam air yang ada dalam pipa. Uap dari pipadialirkan ke turbin uap. Dalam turbin uap, energi uap dikonversikan menjadienergi mekanis penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uapdikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Secara skematis prosespembangkit listrik tenaga uap di boiler pabrik kelapa sawit dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Skematik Pembangkit Listrik Tenaga Uap Sederhana (Sumber: Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)
6 Proses 1-2:
Fluida kerja (misalnya air) dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi.
Pada tahap ini fluida kerja berfase cair sehingga hanya membutuhkan energi yang relatif kecil untuk proses pemompaan.
Proses 2-3:
Air bertekanan tinggi memasuki boiler untuk dipanaskan. Di sini air berubahfase menjadi uap jenuh. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan.
Proses 3-4:
Uap jenuh berekspansi pada turbin sehingga menghasilkan kerja berupa putaran turbin. Proses ini menyebabkan penurunan temperatur dan tekanan uap, sehingga pada suhu turbin tingkat akhir kondensasi titik air mulai terjadi.
Proses 4-1:
Uap basah memasuki kondenser dan didinginkan sehingga semua uap berubah menjadi fase cair kemuadianair dipompakan kembali (Proses 1-2)
Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uapadalah siklus Rankine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjaudari fluida kerjanya yang mengalami perubahan fase selama siklus pada saatevaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika, siklus uapdibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uapdapat terjadi secara isotermal.
Proses perpindahan kalor yang sama dengan proses perpindahan kalorpada siklus carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan entalpifluida kerja akan menghasilkan penguapan atau kondensasi, tetapi tidak padaperubahan temperatur. Temperatur hanya diatur oleh tekanan uap fluida.
Kerja pompa pada siklus rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerjadalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatan untukcampuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus carnot. Siklus rankine idealdapat digambarkan dalam diagram T-S dan H-S seperti pada Gambar 2.2.
7
Gambar 2.2 Siklus Rankine Sederhana
(Sumber: Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994) Siklus Rankine ideal terdiri dari 4 tahapan proses:
1. 1-2 Kompresi isentropik dengan pompa
2. 2-3 Penambahan panas dalam boiler secara isobar 3. 3-4 Ekspansi isentropik pada turbin
4. 4-1 Pelepasan panas pada kondensor secara isobar dan isotermal
Air masuk pompa pada kondisi 1 seperti pada gambar 2.2 sebagai cairan jenuh dan dikompresisampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresiisentropik karena menurunnya volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagaicairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uapsuperheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan ke boiler pada tekanan yangtetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut steamgenerator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbinuntuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutarshaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dapat dihasilkan listrik.Tekanan dan temperatur dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh.Steam ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam kondenser dan akanmeninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untukmelengkapi siklus ini (Readyas Wibawa, 2012).
8 2.2 Perpindahan Panas
Proses perpindahan panas dari sumber panas ke penerima dibedakan atas tiga cara yaitu: (Mc. Cabe, 1999)
1. Perpindahan panas secara konduksi.
2. Perpindahan panas secara konveksi.
3. Perpindahan panas secara radiasi.
2.2.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dimana molekul-molekul dari zat perantara tidak ikut berpindah tempat tetapi molekul-molekul tersebut hanya menghantarkan panas atau proses perpindahan panas dari suhu yang tinggi ke bagian lain yang suhunya lebih rendah. Konduksi (keadaan steady). Suatu material bahan yang mempunyai gradient, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh suatu gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut konduksi atau hantaran. Konduksi thermal pada logam - logam padat terjadi akibat gerakan elektron yang terikat dan konduksi thermal mempunyai hubungan dengan konduktivitas listrik. Pemanasan pada logam berarti pengaktifan gerakan molekul, sedangkan pendinginan berarti pengurangan gerakan molekul (McCabe,1993).
Contoh perpindahan kalor secara konduksi antara lain: perpindahan kalor pada logam cerek pemasak air atau batang logam pada dinding tungku. Laju perpindahan kalor secara konduksi sebanding dengan gradien suhu prtpindahan kalor secara konduksi sebanding dengan gradient suhu (McCabe,1993).
𝑞
𝑎 ~ δ Tδ X ...(1) Dan dengan konstanta kesetimbangan (konduksi) maka menjadi persamaan Fourier q = - k A .δ Tδ X ...(2) Dimana:
q = laju perpindahan kalor
δ T
δ X= gradient suhu kearah perpindahan kalor
9 k = konduktuvitas termal
A = l uas permukaan bidang hantaran
Tanda (-) digunakan untuk memenuhi hukum II Thermodinamika yaitu “Kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala temperature” (Holman,1986).
2.2.2 Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari satu tempat ke tempat lain dengan gerakan partikel secara fisis. Perpindahan panas secara konveksi ini juga diakibatkan oleh molekul-molekul zat perantara ikut bergerak mengalir dalam perambatan panas atau proses perpindahan panas dari satu titik ke titik lain dalam fluida antara campuran fluida dengan bagian lain. Arus fluida yang melintas pada suatu permukaan, maka akan ikut terbawa sejumlah enthalphi. Aliran enthalphi ini disebut aliran konveksi kalor atau konveksi. Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik dan hanya berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya gesek (McCabe, 1993). Contoh sederhana pepindahan panas secara konveksi adalah aliran air yang dipanaskan dalam belanga. Kalor yang dipindahkan secara konveksi dinyatakan dengan persamaan Newton tentang pendinginan (Holman, 1986).
q = − h. A. δ T ...(3) Dimana:
q = Kalor yang dipindahkan
h = Koefisien perpindahan kalor secara konveksi A = Luas bidang permukaan perpindahan panas T = Temperatur
Tanda minus (-) digunakan untuk memenuhi hukum II thermodinamika, sedangkan panas yang dipindahkan selalu
10
mempunyai tanda positif (+). Berdasarkan gaya penyebab terjadinya arus aliran fluida, konveksi dapat diklasifikasikan:
a. Konveksi Bebas (Natural Convection)
Merupakan proses perpindahan panas yang berlangsung secara alamiah, dimana perpindahan panas dalam molekul-molekul dalam zat yang dipanaskan terjadi dengan sendirinya tanpa adanya tenaga dari luar. Konveksi alamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung, sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas fluida tanpa dipengaruhi gaya dari luar sistem. Perbedaan densitas fluida terjadi karena adanya gradien suhu pada fluida. Contoh konveksi alamiah antara lain aliran udara yang melintasi radiator panas (McCabe,1993).
b. Konveksi Paksa (Forced Convection)
Merupakan proses perpindahan panas yang terjadi karena adanya bantuan dari luar, misalnya pengadukan. Jika dalam suatu alat tersebut dikehendaki pertukaran panas, maka perpindahan panas terjadi secara konveksi dipaksa karena laju panas yang dipindahkan naik dengan adanya pengadukan.
2.2.3 Perpindahan Panas Secara Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik secara pancaran. Antara sumber energi dengan penerima panas tidak terjadi kontak, bagian dapur yang terkena radiasi adalah ruang pembakaran. Pada radiasi panas, panas diubah menjadi gelombang elektromagnetik yang merambat tanpa melalui ruang media penghantar. Jika gelombang tersebut mengenai suatu benda, maka gelombang dapat mengalami transisi (diteruskan), refleksi (dipantulkan), dan absorpsi (diserap) dan menjadi kalor. Hal itu tergantung pada jenis benda, sebagai contoh memantulkan sebagian besar radiasi yang jatuh padanya, sedangkan permukaan yang
11
berwarna hitam dan tidak mengkilap akan menyerap radiasi yang diterima dan diubah menjadi kalor. Contoh radiasi panas antara lain pemanasan bumi oleh matahari. Menurut hukum Stefan Boltzmann tentang radiasi panas dan berlaku hanya untuk benda hitam, bahwa kalor yang dipancarkan (dari benda hitam) dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat temperatur absolut benda itu dan berbanding langsung dengan luas permukaan benda (Artono Koestoer,2002).
q pancaran = σ . A . T4 ...(4) Dimana:
σ = konstanta proporsionalitas (tetapan Stefan Boltzmann) σ = 5,669 . 10−8 W/𝑚2. 𝐾4
A = luas permukaan bidang benda hitam T = temperatur absolut benda hitam
2.3 Boiler
2.3.1 Pengertian Boiler
Boiler merupakan mesin kalor (thermal engineering) yang mentransferenergi –energi kimia atau energi otomis menjadi kerja (usaha) (Muin A. Syamsir, 1988).Boiler atau ketel steam adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yangdigunakan untuk menghasilkan steam. Steam diperoleh dengan memanaskanbejana yang berisi air dengan bahan bakar.Boiler mengubah energi–energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untukmenghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalordari suatu sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar.
Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan (feed water system), sistem steam (steam system) dan sistem bahan bakar (fuel system). Sistem air umpan (feed water system) menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam(steam system)
12
mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler.
Steamdialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar (fuel system) 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.
Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari 2 komponen utama, yaitu:
1. Dapur sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas.
2. Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas).
Kedua komponen tersebut dia atas telah dapat untuk memungkinkan sebuah boiler untuk berfungsi.
2.3.2 Prinsip Kerja Boiler
Air di dalam boiler dipanaskan oleh panas dari hasil pembakaran bahan bakar, sehingga terjadi perpindahan panas dari sumber panas tersebut ke air, yang mengakibatkan air tersebut menjadi uap. Air yang lebih panas memiliki berat jenis yang lebih rendah dibanding dengan air yang lebih dingin, sehingga terjadi perubahan berat jenis air di dalam boiler. Air yang memiliki berat jenis yang lebih kecil akan naik, dan sebaliknya air yang memiliki berat jenis yang lebih tinggi akan turun ke dasar (Djokosetyardjo, 1990). Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai kebutuhan uapnya. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam boiler. Sistem bahan bakar merupakan semua alat yang digunakan daam menyediakan
13
bahan bakar agar menghasilkan panas yang dibutuhkan. Prinsip kerja boileryaitu mengubah dan memindahkan energi yang dimiliki bahan bakar menjadi energi yang dimiliki uap air. Berdasarkan bahan bakar yang digunakan, boiler dapat diklasifikasikan menjadi boiler bahan bakar padat, boiler bahan bakar cair, dan boiler bahan bakar gas.Pemanas ruangan juga merupakan salah satu aplikasi dari boiler.
Prinsip kerja pemanas ruangan dikembangkan berdasarkan Hukum Termodinamika I dan II.
Perpindahan panas pada kasus pemanas ruangan adalah memindahkan energi dalam bentuk panas dari suatu titik yang bersuhu tinggi ke titik yang bersuhu lebih rendah (Djojodihardjo, 1985). Untuk menghangatkan ruangan dibutuhkan suatu fluida (berupa air, udara atau uap) yang dipanaskan di dalam boiler, dialirkan melalui pipa, menuju radiator yang berhubungan langsung dengan udara ruangan, fluida akan mengalir kembali lagi ke boiler untuk dipanaskan kembali.
Berikut prinsip Hukum Thermodinamika:
a. Hukum Termodinamika 1
Bunyi hukum Termodinamika I adalah “Energi tidak dapat diciptakanataupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat diubah bentuknya saja”.Berdasarkan uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q) yang diserap sistem tidakhilang. Oleh sistem, kalor ini akan diubah menjadi usaha luar (W) dan ataupenambahan energi dalam (U) (Sutini Pujiastuti Lestari, 2011).
b. Hukum Termodinamika 2
Hukum kedua termodinamika dinyatakan dengan entropi. Pada hukumpertama, energi dalam digunakan untuk mengenali perubahan yang diperbolehkansedangkan pada hukum kedua entropi digunakan mengenali perubahan spontan diantara perubahan–perubahan yang diperbolehkan ini. Hukum kedua berbunyientropi suatu sistem bertambah selama ada perubahan spontan.
14 2.3.3 Klasifikasi Boiler
Boiler pada dasarnya terdiri dari bumbungan (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Banyak orang mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang masing-masing (Muin A. Syamsir, 1988:8). Boiler diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka boiler diklasifikasikan menjadi:
1. Boiler pipa api (fire tube boiler)
Boiler jenis ini pada bagian tubenya dialiri dengan gas pembakaran dan bagian lainnya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melindunginya. Jumlah pass dari boiler tergantung dari jumlah laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnace dan pipa- pipa api. Laluan gas pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama. Boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri pengolahan mulai skala kecil sampai skala menengah (Raharjo dan Karnowo 2008:180).
2. Boiler pipa air (water tube boiler)
Boiler jenis ini banyak dipakai untuk kebutuhan uap skala besar.
Prinsip kerja dari boiler pipa air berkebalikan dengan pipa api, gas pembakaran dari furnace dilewatkan ke pipa-pipa yang berisi air yang akan diuapkan (Raharjo dan Karnowo 2008: 180).
b. Berdasarkan pemakaiannya, boiler dapat diklasifikasikan menjadi:
1. Boiler stasioner (stasioner boiler) atau boiler tetap.
Boiler stasioner ialah boiler yang didudukkan diatas fundasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain yang sepertinya.
2. Boiler mobil (mobile boiler), boiler pindah atau portable boiler.
15
Boiler mobil, ialah boiler yang dipasang pad fundasi yang berpindah-pindah (mobile), seperti boiler lokomotif, loko mobil dan boiler panjang serta lain yang sepertinya termasuk boiler kapal (marine boiler).
c. Berdasarkan letak dapur (furnace position), boiler diklasifikasikan menjadi:
1. Boiler dengan pembakaran didalam (internally fired steam boiler) 2. Boiler dengan pembakaran di luar (outernally fired steam boiler d. Menurut jumlah lorong (boiler tube), boiler diklasifikasikan
menjadi:
1. Boiler dengan lorong tunggal (single tube steam boiler).
2. Boiler dengan lorong ganda (multitubuler steam boiler).
e. Menurut poros tutup drum (shell), boiler diklasifikasikan menjadi:
1. Boiler tegak (vertical steam boiler) 2. Boiler mendatar (horizontal steam boiler)
f. Menurut bentuk dan letak pipa, boiler diklasifikasikan menjadi:
1. Boiler dengan pipa lurus, bengkok dan berlekuk (straight, bent and sinous tubuler heating surface).
2. Boiler dengan pipa miring-datar dan miring-tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).
g. Menurut sistem peredaran air boiler (water circulaion), ketel uap diklasifikasikan sebagai:
1. Boiler dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler).
Pada natural circulation boiler, peredaran air dalam boiler terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedang air yang berat turun, sehingga terjadilah aliran konveksi alami.
2. Boiler dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler).
Pada ketel dengan aliran paksa (forced circulation steam boiler), aliran paksa diperoleh dari sebuah pompa centrifugal yang digerakkan denganelectric motor.
16
Gambar 2.3La Mont Boiler (Muin A. Syamsir, 1988:140)
Gambar 2.4Loeffer Boiler (Muin A. Syamsir, 1988:141)
17
Gambar 2.5Benson Boiler (Sumber: Muin A. Syamsir, 1988:142)
h. Boiler menurut sumber panasnya (heat source) untuk pembuatan uap, boiler dapat diklasifikasikan sebagai:
1. Boiler dengan bahan bakar alami.
2. Boiler dengan bahan bakar buatan.
3. Boiler dengan dapur listrik.
4. Boiler dengan energi nuklir
Dalam perancangan boiler ada beberapa faktor penting yang harus dipertimbangkan agar boiler yang direncanakan dapat bekerja dengan baik sesuai dengan yang kebutuhan. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai berikut:
1. Kapasitas yang digunakan.
2. Kondisi uap yang dibutuhkan.
3. Bahan bakar yang dibutuhkan.
4. Konstruksi yang sederhana.
18 2.3.4 Komponen Utama Boiler
Proses kerja pada boiler sebagai penghasil uap yang digunakan dalam proses pengolahan dan pembangkit tenaga, tidak terlepas dari beberapa komponen utama, seperti:
a. Ruang bakar
Ruang bakar berfungsi sebagai tempat pembakaran bahan bakar.
Bahan bakar dan udara dimasukkan kedalam ruang bakar sehingga terjadi pembakaran. Dari pembakaran bahan bakar dihasilkan sejumlah panas dan nyala api atau gas asap. Dinding ruang bakar umumnya dilapisi dengan pipa-pipa yang berisi air ketel (waterwall).
Air dalam pipa-pipa ini senantiasa bersirkulasi untuk mendinginkan dinding pipa dan sekaligus berfungsi sebagai pipa uap. Dari drum atas air turun melalui pipa Downcomer dan pada pipa-pipa water wall air naik kembali menuju drum atas. Semakin cepat laju peredaran air, pendinginan dinding pipa bertambah baik dan kapasitas uap yang dihasilkan bertambah besar.
Kebersihan dinding pipa waterwall sangat mempengaruhi besarnya laju perpindahan panas. Pengotoran dinding pipa dapat terjadi pada permukaan luar akibat jelaga atau dapat terjadi pada permukaan dalam akibat kerak ketel. Kotoran yang melekat pada dingding pipa waterwall akan memperkecil kapasitas yang dihasilkan ketel.
Lapisan kerak pada dinding pipa sebelah dalam dapat pula menyebabkan naiknya tekanan ketel.
Secara umum bentuk ruang bakar terdiri atas dua jenis yaitu:
Berbentuk silinder
Berbentuk kotak b. Drum Ketel Uap
Drum ketel berfungsi sebagai tempat penampungan air dan uap.
Dalam drum terjadi pemisahan antara air dan gelembung-gelembung
19
uap. Gelembung uap akan pecah dan menimbulkan percikan bintik- bintik air. Akibat perbedaan massa jenis, uap naik kebagian atas drum, sedangkan air sebelah bawah.
c. Pipa Waterwall
Pada ruang bakar ketel uap komponenyang paling penting adalah pipa waterwall, dimana panas yang dihasilkan pada pembakaran bahan bakar diserap waterwall,sehingga air yang terdapat pada pipa waterwall mengalami penaikan temperatur sampai berubah menjadi uap.
d. Cerobong Asap
Cerobong asap berfungsi untuk membuang das asap yang tidak dipakai lagi keudara bebas,untuk mengurangi polusi disekitar instlasi ketel, Sehingga proses pembakaran dapat berlangsung dengan baik.
Dengan cerobong asap pengeluaran gas asap dapat lebih sempurna.
e. Dumper
Dumper berfungsi sebagai katup atau pintu agar udara ataupun bahan bakar dapat mengalir kearah yang diinginkan
f. Superheater
Uap yang berasal dari penguapan di dalam drum atas belum dapat dipergunakan oleh turbin uap, oleh karenanya harus dilakukan pemanasan uap lanjut melalui pipa uap pemanas lanjut (Superheater Pipe), hingga uap benar-benar kering dengan temperatur 260 ºC–340 ºC. Pipa-pipa pemanas uap lanjut dipasang di dalam ruang pembakaran kedua, hal ini mengakibatkan uap basah yang dialirkan melalui pipa tersebut akan mengalami pemanasan lebih lanjut.
Prinsip kerja Superheater yaitu pada saat pemanasan, api harus diatur sehingga suhu dari pipa Superheater tidak melebihi batas keamanan yang diizinkan. Suhu dari logam pipa pada waktu pemanasan ketel biasanya dijaga supaya berada di bawah suhu pipa pada saat ketel berada pada kapasitas penuh. Hal ini dapat dilaksanakan dengan mengatur waktu dari saat pemanasan sampai
20
saat tekanan kerja tercapai, dengan maksud untuk membatasi suhu gas masuk ke superheater pada ±5000C untuk superheater dengan pipa baja biasa.(Welly Simamora, 2011).
2.4 Superheater
Superheater merupakan alat yang berfungsi untuk menaikan temperatur uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheat vapour). Uap panas lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi.
Superheater ditempatkan pada daerah aliran gas asap yang bertempratur tinggi. Temperatur uap yang dihasilkan superheater sangat dipengaruhi temperatur gas asap. Perbedaan temperatur yang terkecil antara dua aliran gas asap dengan uap disebut dengan titik penyempitan (pinch point) a-x dan b-y (gambar 2.3) minimum 20 ºC. Boilersuperheater memproduksi superheatedsteam atau kering. Uap air ini menyimpan lebih banyak energi panas daripada uap air saturated (uap air basah), ditandai dengan nilai entalpi yang lebih tinggi. Uap air ysng diproduksi oleh boiler konvensional umumnya hanya mencapai fase saturated, dan pada boiler superheater uap air saturated ini akan dipanaskan lebih lanjut mencapai fase superheated. Selain menyimpan energi panas yang lebih besar, uap air superheater juga menghilangkan sifat basah dari uap saturated sehingga tidak akan terjadi kondensasi yang terlalu cepat di dalam mesin yang menggunakan uap air tersebut. Keuntungan utama menggunakan boiler superheater dapat mengurangi konsumsi bahan bakar dan air, namun di sisi lain ada biaya tambahan yang diperlukan untuk perawatan yang lebih besar. Tanpa adanya perawatan yang baik pada boilersuperheater, resiko keselamatan sangat mungkin terjadi. Karena boiler superheater bekerja pada tekanan dan
21
temperatur yang tinggi, sangat berbahaya bila terjadi kerusakan pipa pada boiler tersebut.
2.4.1 Prinsip Kerja Superheater
Prinsip kerja Superheater yaitu pada saat pemanasan, api harus diatur sehingga suhu dari pipa Superheater tidak melebihi batas keamanan yang diizinkan. Suhu dari logam pipa pada waktu pemanasan ketel biasanya dijaga supaya berada di bawah suhu pipa pada saat ketel berada pada kapasitas penuh. Hal ini dapat dilaksanakan dengan mengatur waktu dari saat pemanasan sampai saat tekanan kerja tercapai, dengan maksud untuk membatasi suhu gas masuk ke superheater pada
±5000ºC untuk superheater dengan pipa baja biasa. Superheater yang tidak dilengkapi dengan pembuangan atau drain akan selalu menyimpan air condensate pada saat pembakaran dihentikan. Makin banyak condensate yang terkumpul disitu, makin banyak pula panas yang dibutuhkan untuk mendidihkan air dalam pipa superheater, supaya pipa superheater bebas dari air. Pada saat pemanasan pertama, biasanya membutuhkan waktu yang lama untuk membersihkan pipa superheater dari air, karena banyak air yang terjebak di pipa superheater sesudah diadakan hydrostatis test.
Cara termudah untuk membuang air tersebut adalah dengan menguapkannya. Cara ini mengkibatkan kontrol dari suhu gas selama penaikan tekana menjadi sangat penting, untuk mencegah panas berlebihan pada pipa yang tidak dilalui oleh uap karena terhambat oleh air. Hal tersebut juga mengharuskan pembukaan penuh katup pelepas (air vent) pada superheater sebelum pemanasan ketel dumulai, dan katub haruslah tatap terbuka sampai dicapai aliran uap dari ketel pada pipa utama ±10% dari kapasitas ketel. Hal yang menjadi catatan penting adalah bahwa ada uap mengalir memalui vent tidaklah berarti bahwa semua pipa superheater telah dilalui uap, beberapa kemungkinan masih mengandung air yang terjebak di dalamnya dan bila pemanasan
22
berlangsung cepat, pada saat itu pipa dapat mengalami panas berlebihan (pada bagian permukaan air yang terjebak) karena tidak ada aliran uap didalamnya. Saat penghentian operasi dai ketel katub pelepas superheater harus dibuka sebelum menutup katub uap utama dan juga pada setiap saat dimana dimana uap yang melewati katub utama lebih kecil dari 10% dari kapasitas ketel, seperti yang sudah tersebut diatas.
Kemungkinan pipa superheater mengalami panas berlebihan pada saat katub uap ditutub bila ketel masih sangat panas, yaitu pada saat baru berhenti ketel masih mengandung banyak abu panas diatas fire grate yang masih dapat terbakar.
Gambar 2.6Pipa Superheater
(Sumber: Boiler PT Atmindo SFPO 26 ton per jam) 2.5 Maintenance
2.5.1 Pengertian Maintenance
23
Pemeliharaan mesin merupakan hal yang sering dipermasalahkan antara bagian pemeliharaan dan bagian produksi karena bagian pemeliharaan dianggap yang memboroskan biaya, sedang bagian produksi merasa yang merusakkan tetapi juga yang membuat uang (Soemarno, 2008).
Pada umumnya sebuah produk yang dihasilkan oleh manusia, tidak ada yang tidak mungkin rusak, tetapi usia penggunaannya dapat diperpanjang dengan melakukan perbaikan yang dikenal dengan pemeliharaan. (Corder, Antony, dan K. Hadi, 1992). Oleh karena itu, sangat dibutuhkan kegiatan pemeliharaan yang meliputi kegiatan pemeliharaan dan perawatan mesin yang digunakan dalam proses produksi. Kata pemeliharaan diambil dari bahasa yunani terein artinya merawat, menjaga dan memelihara. Pemeliharaan adalah suatu kobinasi dari berbagai tindakan yang dilakukan untuk menjaga suatu barang dalam, atau memperbaikinya sampai suatu kondisi yang bisa diterima.
Untuk Pengertian Pemeliharaan lebih jelas adalah tindakan merawat mesin atau peralatan pabrik dengan memperbaharui umur masa pakai dan kegagalan atau kerusakan mesin (Setiawan F.D, 2008). Menurut Sofyan Assauri (2004) pemeliharaan adalah kegiatan untuk memelihara atau menjaga fasilitas/peralatan pabrik dan mengadakan perbaikan atau penyesuaian/penggantian yang diperlukan agar supaya terdapat suatu keadaan operasi produksi yang memuaskan sesuai dengan apa yang direncanakan. Dari beberapa pendapat di atas bahwa dapat disimpulkan bahwa kegiatan pemeliharaan dilakukan untuk merawat ataupun memperbaiki peralatan perusahaan agar dapat melaksanakan produksi dengan efektif dan efisien sesuai dengan pesanan yang telah direncanakan dengan hasil produk yang berkualitas.
2.5.2 Tujuan Maintenance
Suatu kalimat yang perlu diketahui oleh orang pemeliharaan dan bagian lainnya bagi suatu pabrik adalah pemeliharaan (maintenance) murah sedangkan perbaikan (repair) mahal (Setiawan F.D, 2008).
24
Sedangkan Menurut Sofyan Assauri(2004), tujuan pemeliharaan yaitu:
1. Kemampuan produksi dapat memenuhi kebutuhan sesuai dengan rencana produksi.
2. Menjaga kualitas pada tingkat yang tepat untuk memenuhi apa yang dibutuhkan oleh produk itu sendiri dan kegiatan produksi yang tidak terganggu.
3. Untuk membantu mengurangi pemakaian dan penyimpangan yang di luar batas dan menjaga modal yang di investasikan tersebut.
4. Untuk mencapai tingkat biaya pemeliharaan serendah mungkin, dengan melaksanakan kegiatan pemeliharaan secara efektif dan efisien.
5. Menghindari kegiatan pemeliharaan yang dapat membahayakan keselamatan para pekerja.
6. Mengadakan suatu kerjasama yang erat dengan fungsi-fungsi utama lainnya dari suatu perusahaan dalam rangka untuk mencapai tujuan utama perusahaan yaitu tingkat keuntungan (return on investment) yang sebaik mungkin dan total biaya yang terendah.
2.5.3 Fungsi Maintenance
Menurut pendapat Agus Ahyari(2002) fungsi pemeliharaan adalah agar dapat memperpanjang umur ekonomis dari mesin dan peralatan produksi yang ada serta mengusahakan agar mesin dan peralatan produksi tersebut selalu dalam keadaan optimal dan siap pakai untuk pelaksanaan proses produksi.
Keuntungan-keuntungan yang akan diperoleh dengan adanya pemeliharaan yang baik terhadap mesin, adalah sebagai berikut:
1. Mesin dan peralatan produksi yang ada dalam perusahaan yang bersangkutan akan dapat dipergunakan dalam jangka waktu panjang.
2. Pelaksanaan proses produksi dalam perusahaan yang bersangkutan berjalan dengan lancar.
25
3. Dapat menghindarkan diri atau dapat menekan sekecil mungkin terdapatnya kemungkinan kerusakan-kerusakan berat dari mesin dan peralatan produksi selama proses produksi berjalan.
4. Peralatan produksi yang digunakan dapat berjalan stabil dan baik, maka proses dan pengendalian kualitas proses harus dilaksanakan dengan baik pula.
5. Dapat dihindarkannya kerusakan-kerusakan total dari mesin dan peralatan produksi yang digunakan.
6. Apabila mesin dan peralatan produksi berjalan dengan baik, maka penyerapan bahan baku dapat berjalan normal.
7. Dengan adanya kelancaran penggunaan mesin dan peralatan produksi dalam perusahaan, maka pembebanan mesin dan peralatan produksi yang ada semakin baik.
2.5.4 Jenis-jenis Maintenance
Menurut Daryus A(2007) dalam bukunya “Manajemen Pemeliharaan Mesin-mesin” membagi pemeliharaan menjadi:
1. Pemeliharaan pencegahan (Preventive Maintenance)
Pemeliharaan pencegahan adalah pemeliharaan yang dibertujuan untuk mencegah terjadinya kerusakan, atau cara pemeliharaan yang direncanakan untuk pencegahan.
2. Pemeliharaan korektif (Corrective Maintenance)
Pemeliharaan korektif adalah pekerjaan pemeliharaan yang dilakukan untuk memperbaiki dan meningkatkan kondisi fasilitas/peralatan sehingga mencapai standar yang dapat di terima.
Dalam perbaikan dapat dilakukan peningkatanpeningkatan sedemikian rupa, seperti melakukan perubahan atau modifikasi rancangan agar peralatan menjadi lebih baik.
3. Pemeliharaan berjalan (Running Maintenance)
Pemeliharaan berjalan dilakukan ketika fasilitas atau peralatan dalam keadaan bekerja. Pemeliharan berjalan diterapkan pada peralatan-
26
peralatan yang harus beroperasi terus dalam melayani proses produksi.
4. Pemeliharaan prediktif (Predictive Maintenance)
Pemeliharaan prediktif ini dilakukan untuk mengetahui terjadinya perubahan atau kelainan dalam kondisi fisik maupun fungsi dari system peralatan. Biasanya pemeliharaan prediktif dilakukan dengan bantuan pancaindra atau alat-alat monitor yang canggih.
5. Pemeliharaan setelah terjadi kerusakan (Breakdown Maintenance) Pekerjaan pemeliharaan ini dilakukan ketika terjadinya kerusakan pada peralatan, dan untuk memperbaikinya harus disiapkan suku cadang, alat-alat dan tenaga kerjanya.
6. Pemeliharaan Darurat (Emergency Maintenance)
Pemeliharan darurat adalah pekerjaan pemeliharaan yang harus segera dilakukan karena terjadi kemacatan atau kerusakan yang tidak terduga.
7. Pemeliharaan berhenti (Shutdown Maintenance)
Pemeliharaan berhenti adalah pemeliharaan yang hanya dilakukan selama mesin tersebut berhenti beroperasi.
8. Pemeliharaan rutin (Routine Maintenance)
Pemeliharaan rutin adalah pemeliharaan yang dilaksanakan secara rutin atau terus-menerus.
9. Design out maintenance adalah merancang ulang peralatan untuk menghilangkan sumber penyebab kegagalan dan menghasilkan model kegagalan yang tidak lagi atau lebih sedikit membutuhkan maintenance.
2.6 Gejala dan Penyebab Kegagalan pada Komponen Boiler
Kegagalan pada komponen boiler merupakan salah satu penyebab menurunnya produktivitas dalam industri proses. Penyebab kegagalan yang sering terjadi pada komponen boiler adalah mengalami kegagalan akibat 5 hal
27
berikut, yaitu: 1).overheating/creep 2). fatik 3). korosi 4). erosi dan 5).
kurangnya kontrol kualitas, seperti tampak pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Penyebab Kegagalan Komponen Boiler (Sumber: Hamdani, 2013)
2.7 Analisa Kegagalan
Kegagalan suatu komponen dan struktur sering kita jumpai dalam industri, biasanya tanpa peringatan. Beberapa kegagalan mungkin dianggap sepele, sedangkan yang lainnya memiliki konsekuensi serius. Kegagalan dapat menyebabkan:
1. Kematian
2. Cederanya karyawan 3. Kerusakan properti 4. Shutdown pabrik
28 5. Rugi produksi
6. Timbulnya masalah ekologi seperti bocornya bahan berbahaya 7. Kerugian jangka panjang akibat hilangnya legitimasi dan kredibilitas
perusahaan dan keandalan produknya.
Semua kejadian kegagalan suatu komponen dan struktur ditunjukkan dengangejala-gejala awal, misalnya performansi yang menurun, tidak nyaman saatdigunakan, tidak mau start, dan lain-lain. Analisa kegagalan merupakan masalahyang kompleks, meliputi aspek mekanik, termal, fisik, metalurgi, kimia, korosi,proses manufaktur, analisa tegangan termasuk simulasi numerik dengan softwarefinite element method (FEM).
2.8 Tegangan Equivalen (von-Mises)
Teganganequivalenatauvon-Mises(σe),sepertitampakpadagambar2.8adalah tegangan prinsipalyangbekerja pada suatubidangtanpategangangeser.
Gambar 2.8 Tegangan Equivalen (von-Mises) (Sumber: Hamdani, 2011)
Jikategangantangensial,radial,danaksialberturut-turutadalah(σH),(σR),dan (σZ), makateganganequivalen (σe) dapat ditulis:
σ = 12[(σH - σR)² + (σH - σR)² + (σH - σR)²] ... (4)
2.9 Distribution Themperature
Distribusi Temperatur pada Silinder, seperti tampak pada gambar 2.9 dalam aplikasinya menerima pemanasan dari luar dan dalam sehingga memiliki gradien temperatur pada dindingnya sebagai akibat perpindahan panas (Hamdani, 2013).
29
Gambar 2.9 Distribusi Temperatur pada Silinder
Jika temperatur dalam, temperatur luar, temperatur rata-rata, radius dalam, radius luar, dan radius rata-rata, berturut-turut adalah Ti, To, ΔT, ri, ro, dan r, maka distribusi temperatur pada dinding dapat ditulis dengan persamaan berikut:
𝑇 𝑟 = ∆𝑇
𝐼𝑛 𝑇0𝑇1 𝐼𝑛 𝑇𝑟0 + 𝑇0 ... (5)
2.10 Total Heat Flux
Fluk panas (𝑊 𝑚2) adalah nilai perpindahan panas yang searah dengan sumbu x per satuan luas sepanjang garis lurus arah perpindahan dan sesuai dengan gradien termperatur 𝑑𝑇 𝑑𝑥 . Tetapan k adalah konduktifitas thermal (𝑊 𝑚²) yang merupakan karakteristik material. Tanda minus (-) menyatakan bahwa perpindahan panas selalu mengarah pada suhu yang lebih rendah (Holman, 1986).
2.11 Thermal Stress
Perubahan temperatur pada benda apapun di dunia ini (naik atau turun), tentu saja akan menyebabkan pemuaian atau penyusutan tanpa pada struktur material benda. Akibatnya, akan terjadi pertambahan atau pengurangan (deformasi) pada ukuran benda. Jika proses ini dibiarkan bebas berlangsung, tentunya tidak akan berdampak apa-apa terhadap benda. Tetapi, jika proses terdapat dihalangi, jelas sekali akan menyebabkan timbulnya tegangan di dalam struktur material benda. Adapun jenis tegangan, tergantung dari deformasi yang terjadi (Dadang, 2010).
30 2.12 Simulasi Numerik
Berbagai fenomena dalam dunia science dan engineering dapat dideskripsikan dengan formulasi persamaan diferensial menggunakan model kontinum mekanik. Penyelesaian persamaan diferensial dengan kondisi yang bervariasi seperti kondisi batas atau kondisi inisial dapat membantu memahami fenomena dan dapat mengestimasi fenomena pada masa yang akan datang. Untuk persamaan diferensial, umumnya sulit diperoleh solusi analitisnya, ini disebabkan oleh kompleksitas sifat material, kondisi batas, dan juga bentuk struktur itu sendiri. Solusi yang mungkin untuk permasalahan yang demikian adalah dengan menggunakan analisa numerik menggunakan metode Finite Element Method(FEM). FEM menerjemahkan pemasalahan persamaan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar linier dengan mengadopsi metode numerik untuk mendapatkan solusi pendekatan(Hamdani, 2013).
2.12.1 Simulasi Thermal
Analisa thermal memperhitungkan distribusi temperatur dan besaran thermal lainnya pada suatu komponen atau sistem. Simulasi termal memainkan peran yang penting dalam aplikasi engineering, seperti pada heat exchanger, piping systems, combustion engine, turbin, dan komponen elektronik. Pada kasus tertentu, analisis thermal dimasukkan untuk memperhitungkan thermal stress.
2.12.2 Simulasi Thermal Stress
Simulasi thermal stress memungkinkan solusi dari analisa thermal dimasukkan ke analisa struktur. Fitur ini berguna untuk menentukan efek distribusi temperatur terhadap respon struktur. User dapat memberikan beban thermal secara terpisah atau dihubungkan dengan beban mekanik dalam satu seri dengan mengimpor beban thermal.
Dari analisa ini didapat hasil seperti distribusi temperatur sesuai dengan kondisi batas yang diberikan. Temperatur dari solusi
31
thermalkemudian digunakan sebagai beban (load) dengan preprocessing dansolusi untuk analisa struktur.
2.13 Ansys Workbench
Pada penelitian ini, thermal stress yang terjadi pada tube superheater didefinisikan sebagai fenomena engineering yang melibatkan dua domain fisik yang berbeda, yaitu termal-struktur. Untuk itu, analisa fenomena tersebut menggunakan program Ansys Workbench. Kelebihan program ini adalah dapat mengoperasikan beberapa solver dalam satu paket dengan interface yang berbeda namun data tetap terintegrasi dalam suatu sistem, seperti tampak pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 Interface Program Ansys Workbench (Sumber: Hamdani, 2013)
2.14 Review Literatur
Pada penelitian ini, program Ansys Workbench digunakan untuk menganalisa thermal stress pada pipa water wall. Oleh karena itu, untuk
32
mempelajari kegagalan komponen boiler, dan khususnya thermal stress pada pipa water wall, beberapa literatur yang berkenaan telah dipelajari, antara lain adalah:
Hamdani, mempelajari thermal stress dan mekanisme kegagalan tube superheater dengan metode eksperimental dan analisa numerik. Kajian pertama menggunakan prosedur analisa kegagalan untuk menentukan akar penyebab, kemudian tube yang gagal dievaluasi dengan pengujian tak merusak. Untuk analisa numerik, kajian pertama adalah tegangan elastis akibat tekanan internal. Berikutnya efek gradien temperatur dan kombinasi temperatur dengan tekanan internal. Kemudian beban tekanan pada titik mulur dinaikkan untuk menimbulkan perilaku plastis dengan pengerasan regangan material isotropic hardening. Akhirnya tubesuperheater dievaluasi dengan teori kegagalan von-Mises. Kombinasi temperatur dan tekanan internal menunjukkan temperatur dan fluks panas maksimum terjadi di bagian dalam tube, sedangkan thermal stress meningkat tajam dan mencapai batas elastis. Pengaruh strain hardening pada permukaan mulur tidak mampu menghambat kegagalan akibat deformasi plastis.
Syaiful Wijayanto, Tjoek Soeprajitno, dan Aguk Zuhdi M.F, mempelajari analisa thermal stress pada body cylinder dan cylinder head dari linear engine dua tak otto 30,55 CC dengan variasi jumlah kecepatan rata-rata piston engine 1.02 m/s, 4,58 m/s beban penuh. Pada penelitian ini menggunakan software yang berbasis fenite element untuk menganalisa distribusi panas dan thermal stress analisis. Luaran dari penelitian ini berupa gambar pesebaran thermal expansion, gambar dari pesebaran thermal stressanalysis, dan grafik perbandingan antar distribusi panas yang terjadi ketika engine berada pada kecepatan rata-rata piston engine 1,02 m/s, 4,58 m/s.
Agib Ritaldi Siregar, melakukan penelitian untuk mendapatkan model alat penukar kalor yang paling baik dalam pemanfaatan gas buang boiler sebagai pengganti uap di kernel dryer dengan pendekatan simulasi software
33
engineering komputer. Kajian ini dilakukan dengan tiga tahap. Tahap pengukuran lapangan, pemodelan dan simulasi. Variabel yang disimulasi diambil berdasarkan pengukuran di lapangan. Tahap modeling dengan menggunakan softwareengineering dengan luas penampang yang sama sebanyak tiga bentuk model. Tahap simulasi yaitu flow simulation dan transient thermal. Berdasarkan hasil simulasi dapat disimpulkan dengan nilai kalor yang paling tinggi pada model bentuk ke tiga pada kondisi simulasi flow simulation model x3 14,1905 𝑊 𝑚2 dan kondisi simulasi transient thermal selama 20 detik model x3 36,3246 𝑊 𝑚2.
