PERANCANGAN PEMANAS UDARA
PADA
BOILER PIPA PIPA AIR FCB
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh :
Nama : Ignatius Dani Ardianto NIM : 035214010
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
PERANCANGAN PEMANAS UDARA
PADA
BOILER PIPA PIPA AIR FCB
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh :
Nama : Ignatius Dani Ardianto NIM : 035214010
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
AIR HEATER DESIGN
FOR FCB WATER PIPES BOILER Final Project
Presented as partial fulfillment of requirements to obtain the Sarjana Teknik Degree
in Mechanical Engineering
Presented by : Name : Ignatius Dani Ardianto NIM : 035214010
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka
Yogyakarta, 6 Desember 2007 Penulis
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus atas berkat, kasih, rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini sebagai salah satu syarat menyelesaikan studi di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, Tugas Akhir ini berjudul ‘Perancangan Pemanas Udara Pada Boiler Pipa-pipa Air FCB’.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini, khususnya kepada :
1. Ir. Greg Heliarko S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc., selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. Y.B. Lukiyanto, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah banyak membimbing selama penulisan tugas akhir ini.
3. Bapak Yosef Agung Cahyanta S.T., M.T. dan Ir. F.A. Rusdi Sambada M.T. yang telah memberi masukan bagi penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat menjadi lebih baik.
4. Para dosen Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan bekal untuk menyusun tugas akhir ini.
5. General Manager PT. PG. Jatitujuh beserta Kabag di PT. PG. Jatitujuh. 6. Bapak Bangun Priyanto selaku masinis stasiun Boiler di PT. PG. Jatitujuh. 7. Aris Arsandi ST. selaku staff asisten masinis stasiun Boiler di PT. PG.
8. Bapak Boby M. Mais selaku foreman stasiun Boiler di PT. PG. Jatitujuh Dengan segala kerendahan hati, penulis menyadari bahwa rancang bangun mesin ini jauh dari sempurna.Oleh karena itu dengan hati terbuka penulis akan menerima segala kritik, saran dan usulan.
Akhir kata penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membacanya.
Yogyakarta, 4 Desember 2007 Penulis
DAFTAR ISI
halaman
HALAMAN JUDUL i
HALAMAN JUDUL (INGGRIS) ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING iii
HALAMAN PENGESAHAN iv
HALAMAN PERNYATAAN v
KATA PENGANTAR vi
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
INTISARI xiv
BAB I. PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Masalah 2
1.3. Pokok Bahasan 2
1.4. Ruang Lingkup 2
1.5. Sistematika Penyajian 4
BAB II. DASAR TEORI 7
2.1. Perpindahan Panas Radiasi 7
2.2. Perpindahan Panas Konveksi 8
2.3. Perpindahan Panas Konduksi 9
2.4. Jenis-jenis Ketel Uap 10
2.5.1. Ketel Seksi dan variannya 13
2.5.2. Ketel Yarrow 18
2.5.3. Ketel-ketel berpipa terjal 21
2.5.4. Ketel-ketel Pancaran 23
2.6. Ekonomiser 26
2.7. Pemanas Udara atau Air-Preheater 29
2.8. Proses Pengopakan 31
2.8.1. Pembakaran Bahan Bakar Gas 31
2.8.2. Pembakaran Bahan Bakar Cair 32
2.8.3. Pembakaran Bahan Bakar Padat 33
BAB III. PERANCANGAN 35
3.1. Kenaikan Suhu di dalam pipa-pipa airheater 36 3.2. Perhitungan Luas Penukar Panas Air Heater 41 3.2.1. Perpindahan panas di luar pipa-pipa air heater 43 3.2.2. Perpindahan panas di dalam pipa-pipa air heater 46
3.2.3. Pemuaian Pipa 54
3.3. Perhitungan Fan 55
3.3.1. Induced Draft Fan 56
3.3.2. Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan 59
BAB IV. KESIMPULAN 63
DAFTAR PUSTAKA 65
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Data Teknis Induced Draft Fan 56
Tabel 3.2 Data Teknis Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan 59
Tabel 1. Properties of Air 67
Tabel 2. Dimensi Pipa Baja 68
Tabel 3. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer 69
Tabel 4. Nilai C dan n 70
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Boiler FCB tampak samping 5
Gambar 1.2. Boiler FCB tampak atas 6
Gambar 2.1. Ketel Seksi 14
Gambar 2.2. Gambar detail bagian-bagian ketel seksi 16
Gambar 2.3. Beberapa varian ketel seksi 17
Gambar 2.4. Penempatan superheater dan economizer 18
Gambar 2.5. Ketel Yarrow 19
Gambar 2.6. Ketel-ketek berpipa terjal 21
Gambar 3.1. Penempatan Air Heater dan Posisi Fan Boiler FCB (samping)38 Gambar 3.2. Penempatan Air Heater dan Posisi Fan Boiler FCB (atas) 39
Gambar 3.3. Skema Aliran Air Heater 40
Gambar 3.4. Penyusunan Pipa Tabung Segaris 41
Gambar 1. Grafik Friction Factor 71
Gambar 2. Grafik Depth Factor 71
INTISARI
Boiler sebagai alat pembangkit uap adalah salah satu alat yang sangat penting peranannya di dalam beberapa industri. Pabrik Gula Rajawali II Jatitujuh Majalengka Jawa Barat adalah salah satu industri yang memanfaatkan uap dalam proses produksinya. Uap digunakannya sebagai tenaga penggerak turbin Gilingan, Turbin Pisau Tebu (Cane Cutter), Turbin Alternator dan suplesi uap untuk proses produksi gula. Stasiun Boiiler PG. Jatitujuh dilengkapi dengan 3 unit boiler yang 2 diantaranya yaitu boiler pipa pipa air Fail Cail Babcock (FCB) dengan kapasitas uap 55 ton/jam, tekanan kerja rata-rata 26 bar dan temperatur sekitar 350 oC. Boiler FCB sudah dilengkapi dengan Economizer namun belum dilengkapi dengan AirHeater dan suhu gas panas yang dibuang melalui cerobong sekitar 240
o
C. Efisiensi Thermis Ketel akan naik nilainya jika jumlah kalor yang dibuang ke lingkungan dapat dikurangi dengan cara menggunakan suhu gas panas yang akan dibuang ke lingkungan. Salah satu cara untuk menaikkan efisiensi ketel adalah dengan cara menambahkan air heater untuk menaikkan suhu udara untuk pembakaran menggunakan gas panas yang akan dibuang.
Prinsip kerja dari air heater yang akan dirancang yaitu mengalirkan udara ke dalam berkas pipa yang menyilang arah aliran gas panas. Maka akan terjadi perpindahan panas dari gas panas ke udara di dalam berkas pipa tersebut. Perancangan akan menggunakan pipa baja 2 inch skedul 40 dengan penyusunan pipa tabung segaris yang diletakkan pada ruang dengan ukuran 6 x 1,27 x 0,5 meter. Perancangan bertujuan untuk mencari luas penukar kalor yang dibutuhkan dan suhu gas panas maupun udara yang dapat dicapai dengan penggunaan air heater dan menentukan daya fan pendukung yang dibutuhkan.
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Boiler sebagai alat pembangkit uap adalah salah satu alat yang sangat penting peranannya di dalam beberapa industri. Pabrik Gula Rajawali II Jatitujuh Majalengka Jawa Barat adalah salah satu industri yang memanfaatkan uap dalam proses produksinya. Uap digunakannya sebagai tenaga penggerak turbin Gilingan, Turbin Pisau Tebu (Cane Cutter), Turbin Alternator dan suplesi uap untuk proses produksi gula.
Stasiun Boiler PG Jatitujuh dilengkapi dengan tiga unit boiler pipa-pipa air dengan kapasitas uap masing-masing boiler 55 ton per jam, tekanan kerja rata-rata 26 bar dan temperatur sekitar 350oC. Boiler yang digunakan adalah 2 unit Boiler Fail Cail Babcock (FCB) dengan economizer dan 1 unit Boiler Hitachi dengan air heater. Penggunaan Economizer maupun air heater pada boiler bertujuan untuk mengurangi jumlah kehilangan panas boiler yang akan mempengaruhi efisiensi boiler. Efisiensi suatu alat di dalam suatu industri diharapkan dapat setinggi mungkin, begitu pula efisiensi Boiler pada stasiun Boiler.
memanaskan udara pembakar terlebih dahulu sebelum masuk ke dalam tungku membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung di dalam bahan bakar (khususnya bahan bakar padat) sehingga akan mempercepat berlangsungnya pembakaran bahan bakar di dalam tungku. Oleh karena itu penulis akan mencoba melakukan perancangan air heater yang akan diaplikasikan pada Boiler FCB di PG Jatitujuh
1.2. Rumusan Masalah
Air heater dirancang atau dibuat dengan perhitungan-perhitungan agar tujuan penambahan air heater dapat tercapai yaitu perpindahan panas yang optimal pada unit air heater, maka dirumuskan 2 pokok permasalahan yaitu :
1. Berapa besar kebutuhan luas penukar kalor yang dibutuhkan sebuah air heater untuk menurunkan temperatur gas panas yang akan dibuang melalui cerobong dari 240oC menjadi 225oC?
2. Berapa besar kapasitas fan tambahan untuk mendorong udara pembakaran ke dalam unit air heater?
1.3. Pokok Bahasan
Penulisan Tugas Akhir ini memiliki tujuan yaitu merancang air heater yang akan dipasang pada boiler tipe pipa-pipa air FCB Pabrik Gula Jatitujuh Majalengka Jawa Barat sehingga dapat menaikkan nilai efisiensi ketel.
1.4. Ruang Lingkup
Selain itu Boiler FCB juga dilengkapi beberapa fan yaitu : 1. Baggase Combustion Air Fan
BCAF yaitu fan yang digunakan untuk mendorong udara luar masuk ke dalam boiler sebagai udara primer pembakaran Baggase
2. Fuel Oil Combustion Air Fan
FOCAF yaitu fan yang digunakan untuk mendorong udara luar masuk ke dalam boiler sebagai udara pembakaran IDO
3. Swirling Air Fan
Swirling Air Fan yaitu fan yang digunakan untuk mendorong udara luar masuk ke dalam ruang bakar sebagai udara pembakaran sekunder.
4. Spreading Air Fan
Spreading Air Fan yaitu fan yang digunakan untuk menghembus Baggase pada baggase feeder agar baggase yang masuk ke dalam ruang bakar dapat merata.
5. Induced Air Fan
IDF yaitu fan yang digunakan untuk menarik gas panas yang akan dibuang melalui cerobong.
Perancangan air heater yang dilakukan yaitu air heater yang akan dipasang pada ruang yang tersedia di bagian bawah economizer. Ruang tersebut memiliki dimensi 500 x 6000 x 1270 mm.
Penambahan air heater pada boiler akan menyebabkan terjadinya head loss/pressure drop yang berhubungan dengan perhitungan kebutuhan fan. Maka dari itu head loss/drop pressure juga akan dihitung di dalam perancangan.
1.5 Sistematika Penyajian
Gambar 1.2. Boiler FCB tampak atas
BAB II DASAR TEORI
Boiler adalah alat yang digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Uap yang dihasilkan oleh boiler adalah hasil dari perpindahan panas yang terjadi di dalamnya. Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara, yang berupa api (yang menyala) dan gas asap ( yang tidak menyala) dipindahkan kepada air, uap ataupun udara di dalam ketel uap. Perpindahan panas yang terjadi di dalam ketel ada tiga macam yaitu :
1. Perpindahan panas pancaran atau radiasi 2. Perpindahan panas Aliran atau Konveksi 3. Perpindahan panas Perambatan atau Konduksi 2.1. Perpindahan Panas Radiasi
Pemindahan panas secara Pancaran atau Radiasi adalah perpindahan panas antara suatu benda ke benda yang lain dengan jalan melalui gelombang-gelombang elektromagnetis tanapa tergantung ada tidaknya media atau zat di antara benda yang menerima pancaran panas tersebut.
Bidang yang akan dipanasi hanya dapat menerima perpindahan panas secara pancaran bila bidang/benda tersebut dapat melihat api tersebut. Dan bila suatu benda/bidang terhalang penglihatannya maka bidang/benda tersebut tidak akan memperoleh panas secara pancaran/radiasi.
atau dipantulkan (reflected) dan sebagian lain dari panas pancaran tersebut akan diserapnya.
2.2. Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas secara Aliran atau konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair maupun gas). Molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya melayang-layang ke sana ke mari membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida tersebut menyentuh dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, yaitu q1
Joule kepada dinding ketel, selebihnya yaitu q = q – q1 Joule dibawa pergi. Ada 2
macam perpindahan panas secara Konveksi yaitu :
1. Perpindahan panas Konveksi Bebas (Free Convection)
Molekul-molekul yang melayang ke sana ke mari disebabkan karena perbedaan temperatur di dalam fluida itu sendiri.
2. Perpindahan Panas Konveksi Paksa (Forced Convection)
Molekul-molekul bergerak sebagai akibat adanya kekuakatan mekanis (dipompa atau karena dihembus dengan fan).
Jumlah panas yang dipindahkan secara konveksi dapat dihitung dengan persamaan
jam KJ T
T A h
Q= . ( api − dinding) /
dengan : Q = Perpindahan panas konveksi (Watt)
h = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m-2. K) A = Luas Permukaan Penukar Panas (m2)
Tapi = Temperatur api (Kelvin)
2.3. Perpindahan Panas secara Konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas dari satu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik (kontak fisik atau menempel), tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu sendiri.
Di dalam dinding ketel tersebut, panas akan dirambatkan oleh molekul-molekul dinding ketel sebelah luar yang berbatasan dengan api, menuju ke molekul-molekul dinding ketel sebelah dalam yang berbatasan dengan air, uap atau udara. Perambatan panas melalui benda padat menempuh jarak yang terpendek.
Jumlah panas yang dirambatkan melalui perpindahan panas konduksi dapat dihitung dengan persamaan :
x T T A k
Q d d
∆ − = . .( 1 2)
dengan :
Q = Perpindahan panas konduksi
k = Koefisien Perpindahan Panas Konduksi A = Luas permukaan penukar panas
Td1 = Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api
Td2 = Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan air, uap atau udara
x = Tebal dinding ketel
molekul-molekul air, uap ataupun udara. Molekul-molekul air, uap ataupun udara tersebut dalam keadaan mengalir/bergerak, bukan dalam kondisi diam.
Jadi di dalam sebuah boiler perpindahan panas konveksi dan konduksi secara bersama-sama adalah sebagai berikut :
• Panas dialihkan dari fluida (api atau gas asap) kepada benda padat (dinding ketel).
• Panas dirambatkan di dalam benda padat (dinding ketel) atau di dalam benda padat berlapis (jelaga – dinding ketel – kerak ketel).
• Panas dialihkan dari benda padat (dinding ketel atau kerak ketel) kepada fluida (air, uap ataupun udara).
2.4. Jenis-jenis Ketel Uap
Ketel uap dapat diklasifikasikan menjadi tiga golongan utama yaitu : 1. Ketel-ketel Lorong Api dan Ketel-ketel Pipa Api
Gas asap yang digunakan untuk memanasi air dan uap, akan melalui silinder api, lorong-lorong api dan pipa-pipa ataupun tabung-tabung api (fire cilinder, fire duct, fire pipes and fire tubes), yang di bagian luarnya terdapat air atau uap.
mempunyai isi air yang cukup besar, sehingga merupakan tangki. Maka dari itu jenis ketel ini sering disebut ketel-ketel tangki.
Yang termasuk dalam golongan ini adalah : a. Ketel Cornwall dan ketel Lancashire. b. Ketel Schots dan ketel Schots kembar.
c. Ketel Kombinasi antara silinder api, lorong api dan pipa-pipa api, serta pipa uap, beserta beberapa variannya.
d. Ketel Lokomotif dan Lokomobil
e. Ketel-ketel Tegak, ketel Cochran dan variannya. 2. Ketel-ketel Pipa Air Biasa
Yaitu ketel-ketel air atau uap di dalam pipa-pipa atau tabung-tabung, yang dipanasi oleh api atau asap di bagian luarnya. Ketel-ketel pipa air ini umumnya bertekanan sedang yaitu antara 45 kg / cm2 sampai dengan 140 kg / cm2, dengan produksi uap mencapai 1.000 ton uap setiap jamnya. Jenis-jenis ketel ini mempunyai efisiensi total yang lebih besar dari ketel-ketel pipa api.
Yang termasuk dalam golongan ketel-ketel air biasa ialah : a. Ketel Seksi (Section Boiler) dan beberapa variannya
b. Ketel Yarrow dan ketel-ketel berpipa-pipa terjal serta beberapa variannya. c. Ketel D (D-Boiler) atau ketel dengan dua drum
d. Ketel pancaran dan beberapa variannya 3. Ketel-ketel Pipa Air dengan Perencanaan Khusus
Ketel-ketel ini direncanakan dengan berbagai maksud, antara lain :
• Untuk dapat menggunakan bahan bakar nuklir.
• Untuk dapat menggunakan air dengan kualitas agak rendah.
• Untuk memperbesar beban tungku ketel atau untuk memperbesar angka perpindahan panasnya.
• Dan untuk maksud-maksud lainnya.
Yang termasuk dalam golongan ketel-ketel pipa air dengan perencanaan khusus ialah:
a. Ketel Siklus Ganda atau Binaire Cycle Boiler, dengan variannya beruap ketel/reaktor nuklir.
b. Ketel-ketel untuk tekanan superkritis, yaitu ketel Benson, ketel Sulzer dan ketel Universal pressure boiler.
c. Ketel Loffer atau ketel siklus uap (Circulating steam boiler) yang memungkinkan penggunaan air dengan kualitas agak rendah.
d. Ketel Velox dan ketel-ketel dengan tungku bertekanan dengan maksud memperbesar beban tungku serta memperbesar angka perpindahan panasnya.
e. Ketel Merkuri, yang menggunakan air raksa dan uapnya.
2.5. Ketel-ketel Pipa Air dengan Desain Biasa
2.5.1. Ketel Seksi (Section Boiler) dan Variannya
Dalam gambar 2.1 terlihat adanya sebuah drum ketel yang berdiameter sekitar 1200-1600 mm. Dari dasar drum ketel ini terdapat pipa-pipa air terjun (down comer's pipes) yang berdiameter sekitar 100 mm. Pipa-pipa air terjun tersebut berakhir di bawah pada kotak-kotak seksi air (water section boxes), yaitu berupa kotak air yang dibuat berkelok-kelok, yang pada setiap lekukan tersebut terdapat pipa-pipa penguap air (evaporator's pipes) berdiameter 60 mm sampai 80 mm, yang ditempatkan di daerah pancaran api ataupun di daerah aliran gas asap atau daerah konveksi. Api atau gas asap mengalir di antara pipa-pipa dan menyerahkan panasnya
Penyerahan panas yang paling baik diperoleh bila pipa-pipa penguap air penempatannya dilakukan berselang-seling ke atas, sehingga kotak-kotak seksi air maupun kotak-kotak seksi uap dibuat berkelok-kelok menyesuaikannya.
Gambar 2.1. Ketel Seksi
Sumber : Ir. Djokoset yardjo, M.J., 2006, hal 217
KETERANGAN GAM BAR KETEL SEKSI :
1= Fan Tekan = Forced Draught Fan = F.D.F.
2 = Pipa-pipa Pemanas Udara = Air Heater pipes.
3= Saluran udara panas = Ho t A i r d u c t.
4 = Saluran bahan bakar = Fuel supply line.
5 = Kotak udara =Air box.
6 = Pembakar = Burner
7 = Tungku =Furnace.
8= Fan Isap = Induced Draught Fan = LD.F.
9 = Cerobong asap = Stack = Chimney.
10= Air dingin bertekanan dipompa oleh pompa air pengisian ketelmasuk ke dalam ketel. 11 = Tabung pembagi air dingin = Cold water header.
12 = Pemanas air awal = Water pre-heater = Ekonomiser.
13= Tabung pengumpul air panas =Hot water header. 14 = Drum ketel = Boiler drum = Boiler vessel.
15 = Pipa-pipa terjun = Down comer's pipes.
16= Kotak-kotak seksi air = Water section boxes.
17 = Pipa-pipa penguap pancaran = Radiant evaporator's pipes,
18 = Pipa-pipa penguap konveksi = Convection evaporator's pipes.
19= Kotak-kotak seksi uap kenyang = Saturated steam section boxes
20= Pipa-pipa naik = Up-riser pipes.
21 = Tabung pengumpul uap kenyang = Saturated steam header. 22= Pipa-pipa penyalur uap. 23= Uap kenyang menuju ke Pemanas lanjut uap.
Di dalam pipa-pipa penguap air inilah air diuapkan. Pipa-pipa penguap bermuara pada kotak-kotak seksi uap kenyang (saturated steam section boxes) yang bentuknya tepat sama simetri dengan kotak-kotak seksi air. Uap yang terbentuk di dalam pipa-pipa penguap, akan menuju ke kotak-kotak seksi uap kenyang. Dari sini uap tersebut akan naik melalui pipa-pipa uap naik (steam up-riser's pipes).
Pipa-pipa uap naik bermuara di bagian atas pada sebuah pengumpul uap kenyang (saturated steam header) yang irisannya berupa bujur sangkar, bundar atau empat persegi panjang, dengan sisi terpendek atau jari-jari sekitar 300 - 400 mm. Semua uap kenyang yang terbentuk dari dalam pipa-pipa penguap, kotak-kotak seksi uap dan pipa-pipa naik (up-riser) akan terkumpul pada header uap kenyang.
Dari header uap kenyang, uap dan air dialirkan ke drum ketel melalui pipa-pipa penyalur. Pipa-pipa-pipa penyalur disusun secara berselang-seling. Ada yang bermuara pada drum ketel di atas permukaan air dan ada yang bermuara pada drum ketel di bawah permukaan air yang ada di dalam drum.
Pipa-pipa penyalur yang bermuara pada drum di atas permukaan air ialah pipa-pipa penyalur uap. Sedangkan pipa-pipa penyalur yang bermuara di bawah permukaan air di dalam drum ialah pipa-pipa penyalur air, yang berfungsi untuk pengaliran kembali air ke dalam drum ketel, sehingga temperatur dan tekanannya hampir merata di seluruh ketel.
Gambar 2.2. Gambar detail bagian-bagian ketel seksi Sumber : Ir. Djokoset yardjo, M.J., 2006, hal 219
Keterangan gambar ketel seksi :
1 = Drum ketel = Biler vessel = Boiler drum 2 = Tutup Man-hole = Tutup Lubang orang. 3 = Pipa-pipa terjun = Down-comer's pipes
4 =Kotak-kotak seksi air = Water section boxes
5 = Pipa-pipa penguap pancaran = Radiant Evaporator's pipes
6 = Pipa-pipa penguap konveksi = Convection Eva pipes
7 = Kotak-kotak seksi uap = Steam section boxes
8 = Pipa-pipa naik = Up-riser's pipes
9 = Tabung pengumpul uap kenyang = Saturated Steam Header
10 = Pipa-pipa penyalur uap.
11 = Air dingin masuk ke-Tabung pembagi air dingin 12 = Tabung pembagi air dingin = Cold water Header
13 = Pipa-pipa pemas air awal = Economiser's pipes
14 = Tabung pengumpul air panas = Hot water Header
15 = Pipa uap kenyang menuju pemanas lanjut
16 = Tabung pembagi uap kenyang = Saturated steam Header 17 = Pipa-pipa pemanas lanjut = Superheater's pipes
18 = Tabung pengumpul uap yang dipanaskan lanjut = Superheated sterna Header
19 = Uap yang dipanaskan lanjut menuju ke-pemakaian
pipes), dan sebuah pipa uap naik (steam up-riser pipe). Dengan demikian satu set seksi tersebut merupakan sebuah ketel mini, yang masing-masing terpisah antara yang satu dengan yang lain, sehingga ketel tersebut disebut ketel seksi.
Letak drum digantung pada kerangka bangunan ketel dan letak header uap kenyang juga digantung pula pada kerangka bangunan ketel. Satu set seksi tersebut setengahnya tergantung pada drum dengan menggunakan pipa-pipa terjun, dan setengahnya yang lain tergantung pada header uap kenyang dengan menggunakan pipa-pipa naik. Oleh karenanya satu set seksi tersebut akan dapat memuai dengan bebas bila kena panas, tanpa ada pengaruhnya antara satu set seksi yang satu dengan satu set seksi lainnya. Makin ke bawah letak pipa-pipa penguap air, makin lebih banyak memuai, namun karena pemuaiannya sebanding atau proporsional dengan letaknya, maka tidak akan menimbulkan kesukaran-kesukaran.
Api atau gas asap setelah memanasi pipa-pipa penguap air, akan mencapai dan memanasi pipa-pipa pemanas lanjut uap (superheater), pemanas air awal (ekonomiser), dan pemanas udara (air-preheater), sebelumnya meninggalkan cerobong asap.
Gambar 2.3. Beberapa varian ketel seksi
G a m b a r 2 . 4 . P e n e m p a t a n s u p e r h e a t e r d a n e c o n o m i s e r
Sumber : Ir. Djokoset yardjo, M.J., 2006, hal 225
2 . 5. 2. K e te l Yar r ow
Ketel YARROW banyak digunakan di kapal-kapal laut, namun ada juga yang dipasang di darat sebagai ketel pembangkit uap untuk pembangkitan tenaga listrik. Pada ketel Yarrow terdapat sebuah drum utama ketel yang dipasang di atas. Drum utama sebelah atas ini dihubungkan oleh pipa-pipa penguap dengan dua buah drum bawah, dengan sudut kemiringan pipa-pipa penguap air lebih dari 200
dingin akan turun dari drum atas ke drum bawah melalui berkas pipa-pipa penguap air bagian atas. Gelembung-gelembung uap banyak terbentuk pada berkasberkas pipa penguap sebelah bawah, sehingga sirkulasinya baik sekali. Pada berkas pipa-pipa penguap yang di tengah-tengah, sirkulasinya kurang memuaskan sehingga ketel Yarrow ini tidak untuk tekanan yang tinggi, maksimum 80 kg/cm2
Gambar 2.5. Ketel yarrow
Sumber : Ir. Djokoset yardjo, M.J., 2006, hal 228 dan 233
diperlemah. Sehingga dinding drum di tempat masuknya pipa-pipa penguap tersebut dibuat lebih tebal dibanding tempat lain yang tidak ada lubang-lubang untuk pipa-pipa tersebut. Pipa-pipa pemanas lanjut uap (superheater's pipes) biasanya ditempatkan di antara pipa-pipa penguap. Arah pipa-pipa pemanas lanjut tersebut ada yang sama arah dengan arah membujurnya pipa-pipa penguap namun ada pula yang pipa-pipa pemanas lanjutnya melintang terhadap arah membujur pipa-pipa penguap. Ketel-ketel Yarrow dengan pipa-pipa penguap yang lurus yang diborkan miring terhadap dinding drum, kurang disukai dewasa ini.
Gas asap setelah melewati berkas pipa-pipa penguap dengan temperatur yang cukup tinggi sekitar 500° - 700 oC, akan mencapai pipa-pipa ekonomiser. Di dalam pipa-pipa ekonomiser inilah air pengisian ketel dipanasi terlebih dahulu agar tidak membahayakan drum ketel di tempat masuknya air pengisian tersebut.
Ketel Yarrow yang ada tungku ketelnya terbagi menjadi dua bagian yang dibatasi oleh sebaris pipa-pipa berduri yang dilapisi dengan biji-biji Chrom (Chrom ore). Pada setiap belahan tungku terdapat beberapa pembakar atau burner. Pipa-pipa pemanas lanjut uap (superheater) hanya terdapat di antara salah satu berkas pipa-pipa penguap. Dengan demikian pengaturan temperatur uap yang dihasilkan, dilakukan dengan mengatur masing-masing burner pada setiap belahan tungku.
pemisah air yang dipasang di dalam drum atas. Ketel Yarrow dibuat dengan kapasitas antara 30 - 80 t/jam.
2.5.3. Ketel-ketel Berpipa Terjal
Ketel-ketel berpipa terjal di antaranya ialah ketel dengan tiga buah drum dari Steinmuller-Gummersbach (Gambar.2.6). Di bagian atas terdapat dua buah drum, sedangkan di bagian bawah hanya terdapat sebuah drum. Antara ketiga buah drum tersebut dihubungkan dengan pipa-pipa.
Gambar 2.6. Ketel-ketel berpipa terjal
Sumber : Ir. Djokoset yardjo, M.J., 2006, hal 240
dengan maksud untuk menerima panas sebanyak mungkin secara pancaran dari api di atas rangka bakar.
Baris-baris pertama dan kedua dari pipa-pipa penguap ini merupakan berkas-berkas pipa penguap pancaran, yang menerima panas dari api di dalam tungku di atas rangka bakar, tidak saja secara konveksi, melainkan juga menerima panas yang terbanyak secara pancaran. Antara drum utama dan drum bawah dihubungkan di bagian depan dari aliran konveksi gas asap, dengan seberkas pipa-pipa penguap. Di bagian belakang di daerah aliran konveksi gas asap, dihubungkan dengan seberkas pipa-pipa air yang berfungsi sebagai pipa-pipa terjun atau down-comer. Dengan demikian sirkulasi air dan uap pada ketiga buah drum tersebut menjadi lebih sempurna.
Permukaan dinding tungku, yang berhadapan dengan pipa-pipa yang dipasang terjal di atas tungku, dilapisi dengan pipa-pipa penguap pancaran. Bagian bawah bermuara pada sebuah tabung pembagi air (water header). Bagian atas pipa-pipa penguap pancaran ini bermuara pada drum atas yang bukan drum utama.
atas tersebut merupakan pipa-pipa penghubung air antara kedua drum atas tersebut. Sedangkan pipa-pipa yang menghubungkan bagian atas dari drum-drum atas merupakan pipa-pipa penghubung uap antara kedua drum-drum atas tersebut.
Pipa-pipa pemanas lanjut ditempatkan tergantung di daerah aliran pertama konveksi gas asap, setelah gas asap melewati berkas-berkas pipa-pipa penguap yang terjal tersebut. Setelah gas asap melewati pipa-pipa terjun (down-comer's Pipes) yang menghubungkan drum utama dengan drum bawah, temperatur gas asap masih cukup tinggi. Gas asap dimanfaatkan untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum-drum tersebut pada sebuah alat pemanas air awal yang disebut ekonomiser, yang akan dibahas lebih mendalam di kemudian.
Baik pada ketel Yarrow maupun pada ketel Steinmuller-Gummersbach, terdapat keberatan-keberatan karena banyaknya drum-drum ketel yang digunakan. Untuk tekanan uap yang tinggi, drum-drum ketel tersebut harganya menjadi makin mahal karena proses pembuatannya juga makin sulit. Sehingga dibuat modifikasi dari ketel-ketel tersebut, menjadi ketel-ketel variannya dengan jumlah drumnya menjadi berkurang.
2.5.4. Ketel-ketel Pancaran
berdiri vertikal. Ada pun jarak antara pipa-pipa penguap tersebut (= s) dari besarnya fraksi pendinginan yang disesuaikan dengan bahan bakar yang digunakan di dalam tungku.
Panas yang diserahkan secara pancaran kepada pipa-pipa penguap dan kepada pipa-pipa pemanas lanjut pancaran sekitar 40% - 70% dari seluruh jumlah panas yang terbentuk di dalam tungku. Ketel pancaran dimaksudkan untuk mengatasi keberatan tersebut, yaitu dengan mengusahakan agar panas yang terbentuk di dalam tungku sebanyak-banyaknya diserap di daerah pancaran. Dengan demikian temperatur api atau gas asap pada saat meninggalkan daerah pancaran temperaturnya telah diturunkan sedemikian sehingga ada di bawah titik cair abu, yang dengan demikian abu cair yang terbawa oleh api telah menjadi padat sehingga tidak membentuk Nest forming di daerah konveksi.
Lagi pula umumnya ketel pancaran ini hanya mempunyai sebuah drum ketel, sehingga investasinya tidak terlalu banyak dibebani oleh harga drum-drum ketel yang mahal. Di bagian dasar tungku terdapat tabung-tabung pembagi air atau Water Headers, tempat asal water header yang bermula dari pipa-pipa penguap.
Drum utama ketel (main boiler-drum) dihubungkan dengan pipa-pipa terjun yang ditempatkan di luar tungku (jadi tidak disinggung oleh api) menuju ke-water header yang ada di dasar tungku. Air yang relatif agak dingin akan turun ke bawah dari drum ketel melewati pipa-pipa terjun tersebut menuju ke-water header.
Pipa-pipa penguap yang melapisi dinding tungku yang terletak di bawah drum ketel, akan langsung bermuara di-drum ketel. Tetapi pipa-pipa penguap yang melapisi dinding tungku yang tidak terletak di bawah drum ketel, terlebih dahulu akan bermuara pada tabung-tabung pengumpul uap kenyang atau saturated steam header.
Dari saturated steam headers uap dialirkan ke-drum ketel melalui pipa-pipa khusus untuk penyalur uap kenyang yang dihasilkannya. Dengan demikian seluruh pembentukan uap berlangsung di sekeliling dinding tungku yang terdiri dari pipa-pipa penguap.
Pipa-pipa pemanas lanjut uap kadang-kadang ada yang ditempatkan di daerah pancaran, yang disebut pemanas lanjut pancaran (radian superheater) yang ada kalanya merupakan langit tungku atau yang disebut superheater langit-langit atau ceiling superheater. Ada pula pemanas lanjut yang ditempatkan di daerah konveksi yang disebut superheater konveksi.
Di daerah konveksi, gas asap setelah digunakan untuk memanasi pemanas lanjut konveksi atau pemanas lanjut ulang (reheater), temperaturnya masih cukup tinggi sekitar 500 oC – 700 oC. Temperaturs tersebut dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air pengisian ketel terlebih dulu, di dalam sebuah alat yang disebut pemanas air awal atau ekonomiser. Pemanasan air di dalam pemanas air awal atau ekonomiser dilakukan hingga temperatur air mendekati temparatur mendidihnya yaitu sekitar 50 oC hingga 75 oC di bawah temperatur mendidih air di dalam drum ketel.
udara yang digunakan untuk pembakaran, di dalam sebuah alat yang disebut pemanas udara (Air-Preheater). Udara pembakar di dalam pemanas udara dipanasi hingga temperatur sekitar 1 20 oC – 320 oC, tergantung besar-kecilnya ketel uap.
2.6. Ekonomiser
Gas asap setelah meninggalkan superheater konveksi ataupun pemanas lanjut ulang (Steam Reheater), temperaturnya masih cukup tinggi sekitar 500°C hingga 800°C, sehingga akan merupakan kerugian panas yang besar bila gas asap tersebut langsung dibuang lewat cerobong.
Gas asap yang masih panas ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam drum ketel, sehingga air telah dalam keadaan panas, sekitar 30oC sampai 50oC di bawah temperatur mendidihnya. Air yang telah dalam keadaan panas pada saat masuk ke dalam drum ketel membawa keuntungan karena ketika air masuk ke dalam drum, dinding ketel tidak mengerut sehingga drum ketel dapat lebih awet dengan demikian biaya perawatan atau biaya maintenance-nya menjadi lebih murah. Lain halnya bila air dalam keadaan dingin masuk ke dalam drum tersebut, dinding drum akan mengerut dan mudah pecah atau bocor, sehingga biaya perawatannya mahal.
Keuntungan berikutnya ialah dengan air yang telah dalam keadaan panas masuk ke dalam drum ketel tersebut, untuk menguapkannya di dalam tungku hanya sedikit saja dibutuhkan panas, dengan demikian untuk menguapkan air di dalam tungku hanya dibutuhkan sedikit bahan bakar, sehingga pemakaian bahan bakarnya lebih hemat, atau dengan kata lain: biaya operasinya menjadi lebih ekonomis.
Keuntungan keempat ialah, bila air telah dalam keadaan panas memasuki drum ketel, maka untuk menguapkannya hanya dibutuhkan panas yang sedikit di dalam penguap. Luas Bidang yang dipanaskan (Heating Surface) dari penguap (Evaporator) menjadi lebih sedikit, akibatnya ukuran-ukuran tungku menjadi lebih kecil. Hal itu menyebabkan harga tungku menjadi lebih murah atau secara keseluruhannya harga ketel atau harga investasinya menjadi lebih murah, sekalipun harus dipasang alat untuk memanaskan air terlebih dahulu sebelum masuk drum ketel.
Dengan demikian dengan memasang alat untuk memanaskan air terlebih dahulu sebelum masuk ke dalam drum ketel, yang disebut pemanas air awal (Water pre-heater) akan didapat keuntungan-keuntungan sebagai berikut:
a. Biaya perawatan (Maintenance Cost) menjadi lebih murah. b. Efisiensi Thermis dapat diperbesar.
c. Biaya operasi menjadi lebih hemat atau lebih ekonomis. d. Harga investasi ketel menjadi lebih murah.
Dilihat dari arus air dan gas asap, ekonomiser dibagi: 1. Ekonomiser arus Searah
2. Ekonomiser arus Berlawanan Arah 3. Ekonomiser arus Kombinasi.
Jika dilihat dari bentuknya, ada ekonomiser yang berbentuk ular yang disebut ekonomiser ular (serpent economizer). Ada pula pipa-pipa ekonomiser yang diberi berusuk-rusuk dengan maksud untuk memperluas bidang persinggungan antara gas asap dengan dinding pipa yang telah diperluas oleh rusuk-rusuk. Ada pula untuk memperluas bidang singgung dengan gas asap dengan mengelaskan potongan-potongan pelat baja pada pipa-pipa sehingga pipa-pipa tersebut bersayap, yang disebut Fin and stud economiser.
Ekonomiser ular terbuat dari pipa-pipa baja, yang ditekuk-tekuk dan menyerupai ular. Karena bidang persinggungan dengan gas asap tidak diperluas, maka memerlukan pipa yang panjang, namun pembuatannya mudah. Pada ekonomiser berusuk dan ekonomiser bersayap, maka luas bidang persinggungan diperluas dengan rusuk-rusuk atau sayap-sayap, sehingga untuk kapasitas yang sama, panjang pipa-pipanya dapat lebih pendek dibandingkan dengan ekonomiser ular.
2.7. Pemanas Udara Atau Air-Preheater
Memanaskan udara pembakaran sebelum dimasukkan ke dalam tungku berarti mengurangi kebutuhan panas untuk menaikkan temperatur udara di dalam tungku, sehingga api di dalam tungku tidak banyak mengalami penurunan temperatur, sehingga mengurangi kemungkinan api di dalam tungku tiba-tiba padam sendiri. Api yang tiba-tiba padam sendiri, dapat menyebabkan peledakan tungku, bila tiba-tiba alat penyundut api dipasang/dinyalakan, karena di dalam tungku terdapat sejumlah uap bahan bakar dan udara yang telah siap untuk terbakar. Kelalaian operator menyalakan alat penyundut api bila api di dalam tungku padam sendiri, dapat menyebabkan peledakan tungku yang dapat menimbulkan kerugian besar.
Ketika api di dalam tungku padam sendiri bila tersedia Fan isap maka gas-gas berikut campuran uap bahan bakar dan udara yang terdapat di dalam tungku diisap ke luar dengan menggunakan Fan isap (Induced draught fan atau IDF). Bila tidak tersedia Fan isap, gas-gas berikut campuran uap bahan bakar dan udara yang terdapat di dalam tungku dihembus dengan menggunakan Fan Penghembus atau Fan Tekan (Forced Draught Fan atau FDF), agar tidak tersisa lagi campuran uap bahan bakar dan udara di dalam tungku, dan baru dapat dimulai lagi prosedur penyalaan tungku dari awal. Dengan demikian bila api di dalam tungku padam sendiri, maka ada sejumlah kerugian bahan bakar yang dibuang, lagi pula operasi ketel menjadi terganggu. Hal ini tidak dikehendaki. Oleh karena itu diusahakan untuk memanaskan udara pembakar terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke dalam tungku.
dalam tungku, membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung di dalam bahan bakar (khususnya bahan bakar padat) sehingga akan mempercepat berlangsungnya pembakaran bahan bakar di dalam tungku, yang dengan demikian untuk kapasitas tungku yang sama, yaitu untuk jumlah bahan bakar yang dibakar sama, tungku yang menggunakan udara panas ukuran-ukurannya menjadi lebih kecil sehingga dapat lebih murah investasinya.
Ada tiga macam Pemanas Udara atau Air-Preheater: a. Pemanas udara pipa
b. Pemanas udara pelat
c. Pemanas udara regenerasi atau Pemanas udara LJungstrom
Pada Pemanas udara pipa, gas asap dialirkan melalui pipa-pipa, sedangkan udara dialirkan di sekeliling luar pipa-pipa, sehingga terjadi pertukaran panas antara gas asap dengan udara melewati dinding-dinding pipa. Ada pula udara yang melewati pipa-pipa sebelah dalam, sedangkan gas asap melewati sekeliling luar pipa-pipa. Diameter luar pipa-pipa sekitar 20 mm hingga 25 mm, tergantung besar-kecilnya pemanas udara atau besar-besar-kecilnya ketel uap.
Pada pemanas udara pelat, udara dialirkan di antara pelat-pelat yang beganti-ganti atau berselang-seling dengan gas asap. Sehingga pertukaran antara gas asap dengan udara yang dipanasi melalui dinding-dinding pelat yang membatasinya.
logam tersebut telah dingin lagi, maka elemen-elemen logam tersebut dibawa kembali ke daerah aliran gas asap untuk dipanasi, bila telah panas dibawa kembali ke daerah aliran udara. Demikian dilakukan terus-menerus.
Elemen-elemen logam tersebut dari pelat-pelat, yang bergelombang untuk membuat jarak antara pelat yang satu dengan yang lain, di antara pelat-pelat tersebut dapat dilewati oleh gas asap atau udara
2. 8 Proses Pengopakan (= Proses Melayani Api = Stoke Process)
Pembakaran adalah oksidasi, yang berlangsung pada temperatur tertentu, dengan kecepatan reaksi yang tinggi dan menghasilkan panas.
2.8.1. Pembakaran Bahan Bakar yang Berupa Gas
Pembakaran bahan bakar yang berupa gas, yang hampir keseluruhannya terdiri dari Karbon (C) dan Hidrogen (H), mula-mula berlangsung sebagai berikut: yang dimulai dengan menguraikan gas-gas hingga menghasilkan komponen-komponen dari gas air (CO dan H2), bila kondisi Oksigen (OZ )
mencukupinya.
Dengan penyetelan yang tepat pengaliran udara pembakar, maka gas yang ke luar dari Pembakar Bunsen (Bunsen Burner), akan menarik sejumlah udara primer tertentu, yang cukup untuk penguraian gas-gas menjadi CO dan H2 (yang biasa disebut gas air atau water gas).
Pembakaran dari gas air (water gas, CO dan H2) yang terbentuk, yang
bercahaya dari bunga api, yang berlangsung sangat cepat, bila oksigen yang tersedia mencukupinya.
Jika arus udara primer tidak mencukupi atau bila pencampurannya dengan gas-gas tidak sempurna, maka penguraian menjadi water gas (CO dan H2) akan
terganggu. Mula-mula yang terurai terlebih dahulu adalah Karbon yang berupa partikel-partikel kecil yang melayang-layang di dalam bunga api. Bila kemudian temperatur menjadi cukup tinggi (sekitar 800°C) dan oksigennya mencukupi, maka penguraian menjadi water gas akan dilanjutkan, dan partikel-partikel Karbon yang terbentuk tadi akan terbakar, mula-mula menjadi CO yang kemudian dilanjutkan lagi menjadi C02.
Karena penguraian menjadi water gas yang terganggu tadi, maka bunga api menjadi lebih panjang daripada yang disebutkan tadi, lagi pula partikel-partikel Karbon yang menyala pada waktu terbakar (menjadi CO dan kemudian menjadi C02) akan menjadikan bunga api terlihat menyala. Hal seperti ini adalah yang sangat
umum terjadi. Bila karena sesuatu hal, misalnya temperatur di luar bunga api yang terlalu dingin, atau bila aliran udara pembakar kurang cukup, maka partikel-partikel Karbon yang terurai tadi sebagian atau seluruhnya tidak terbakar, sehingga masih berujud partikel-partikel Karbon yang berupa jelaga (soot) yang melayang-layang di dalam api.
2.8.2. Pembakaran Bahan Bakar Cair
temperatur yang cukup tinggi, Karbon C dan Hidrogen H, lama masih dalam keadaan terikat. Untuk selanjutnya, sejumlah kecil Karbon C akan terurai pada temperatur yang kira-kira sama atau di atas temperatur reaksi, sehingga dengan demikian pada pembakaran bahan bakar cair, dapat dicapai bentuk bunga api yang hampir-hampir sempurna, seperti halnya pada pembakaran bahan bakar yang berupa gas.
2.8.3. Pembakaran Bahan Bakar Padat
Bahan bakar padat yang sebagian besar terdiri dari Karbon Hidrogen dan Oksigen. Mula-mula bahan bakar padat tersebut akan membentuk gas-gas atau yang biasa disebut menge-gas (= ontgassing), pada waktu berlangsung destilasi kering, dan gas-gas tersebut akan terurai lebih lanjut menjadi CO dan H2 (= water gas) dan akan terbakar. Selanjutnya arang atau kokas yang
tertinggal (yang semuanya terdiri dari Karbon C) akan menguap atau sublimasi terlebih dahulu, dan kemudian baru terbakar menjadi CO yang untuk selanjutnya akan terbakar menjadi C02 bila jumlah Oksigen yang
tersedia mencukupinya.
Udara pembakar, yang diperlukan untuk "menge-gas"-kan atau ontgassing dari Karbon C, disebut udara primair, sedangkan udara pembakar yang digunakan untuk membakar gas-gas CO menjadi CO2 disebut udara
sekundair. Dengan demikian maka pada waktu membakar bahan bakar padat, dapat dibagi menjadi dua periode, yaitu:
- membakar lebih lanjut gas-gas yang terbentuk tadi menjadi CO dan yang untuk selanjutnya menjadi CO2 .
BAB III PERANCANGAN
Perancangan air heater pada boiler FCB tentunya menyesuaikan dengan spesifikasi yang dimiliki oleh boiler tersebut. Air heater digunakan untuk menaikkan suhu udara pembakaran yang dihembus oleh Spreading Air Fan dan Swirling Air Fan Data-data yang dibutuhkan untuk perancangan air heater sebagai berikut :
• Temperatur gas asap keluar ekonomizer / temperatur gas asap masuk air heater
Thi =240oC
• Temperatur gas panas keluar air heater Tho =225oC
• Laju gas asap keluar ekonomizer / laju gas asap masuk air heater Wg = 118 ton/jam
= 32,78 kg/detik • Temperatur udara yang akan dipanaskan
Tai = 40 oC
• Laju udara yang akan dipanaskan Wa = 4,44 kg/detik
• Ukuran ruang yang akan digunakan untuk air heater p = 6 m
3.1. Kenaikan suhu udara di dalam pipa-pipa pemanas udara
Di dalam terjadi perpindahan panas dari gas asap ke udara di dalam pipa-pipa air heater. Kalor yang dilepas oleh gas panas akan sama dengan kalor yang diserap oleh udara di dalam pipa-pipa air heater.
Kalor yang dilepas oleh gas asap ditentukan menggunakan persamaan 3-1 (Jones, J.B.,Dugan, R.E, 1996, hal 164)
QAH =Wg(hgi−hgo) ... (3-1) dengan, Wg : Laju aliran gas asap (kg/detik)
hgi : entalpi gas asap masuk air heater (kJ/kg)
hgo : entalpi gas asap keluar air heater (kJ/kg)
Kalor yang diserap oleh air heater ditentukan menggunakan persamaan 3-2 (Jones, J.B.,Dugan, R.E, 1996 ,hal 164)
) ( ao ai
a
a W h h
Q = − ... (3-2) dengan, Wa : Laju aliran udara di dalam air heater (kg/detik)
hai : entalpi udara masuk air heater (kJ/kg)
hao : entalpi udara keluar air heater (kJ/kg)
maka
Wg(hgi −hgo)=Wa(hao −hai) ... (3-3) dengan menggunakan persamaan 3-1 dapat dihitung dihitung jumlah kalor yang dilepas oleh gas asap jika terjadi penurunan temperatur gas asap dari 240oC menjadi 225oC.
) ( gi go
g
AH W h h
Q = −
a AH Q
dengan, Wg = 32,78 kg/detik
hgi = h @ 240 oC (tabel 1 pada lampiran)
= 516,41 kJ/kg
hgo = h @ 225 oC (tabel 1 pada lampiran)
= 494,8 kJ/kg maka,
= 708,33 kJ/kg
Jumlah kalor yang diserap oleh udara di dalam pipa-pipa air heater (Qa) akan berjumlah sama dengan kalor yang dilepas oleh gas asap sesuai dengan persamaan3-3.
QAH = Qa
QAH = Wa (hao-hai)
dengan, Wa = 4,44 kg/detik
hai = entalpi udara masuk pipa-pipa air heater
= h @ 40 oC (tabel 1 pada lampiran) = 312,25 kJ/kg
h ao = entalpi udara keluar pipa-pipa air heater
708,33 = 4,44 (hao-312,25)
hao = 471,78 kJ/kg
Jika entalpi udara keluar diketahui maka dengan menggunakan tabel 3.1 dapat diperoleh suhu udara keluar air heater
Tao = T @ h = 471,78 kJ/kg
Tao = 196,55 oC
(
516,41 494,8)
78 ,
32 −
Posisi Air Heater
Spreading Air Fan
IDF
Posisi air heater
Swirling Air Fan
Spreading Air Fan
Gambar 3.3. Skema Aliran air heater
4
3.2. Perhitungan Luas Penukar Panas Air Heater
Air heater adalah salah satu jenis alat penukar kalor, maka jumlah kalor yang dapat dipindahkan dari fluida panas ke fluida dingin sangat ditentukan oleh luas penukar panas yang tersedia. Luas penukar panas yang dibutuhkan dan luas penukar panas yang tersedia tentunya juga akan bervariasi sesuai dengan ukuran pipa yang digunakan, cara penataan pipa dan jarak penataan pipa dalam arah horizontal (Sp) maupun arah vertikal (Sn).
Gambar 3.4. Penyusunan Pipa Tabung Segaris
Sumber : Holman, J.P, 1997, hal 276
Air heater akan menggunakan ukuran pipa nominal 2 inch, skedul 40 dengan data yang diperoleh dari Tabel 3.2 sebagai berikut :
• Ukuran nominal pipa : 2 inch
• Diameter luar (Dout) : 2.375 inch
• Diameter dalam (Din) : 2,067 inch
Pipa- pipa tersebut akan disusun sebagai pipa tabung segaris dengan : • Sp/D = 2
• Sn/D = 1,25
• Sp = 0,06 m x 2 = 0,12meter • Sn = 0,06 m x 1,25 = 0,075 meter
Dengan penyusunan tersebut dan ukuran ruang yang tersedia maka jumlah pipa maksimal yang dapat digunakan yaitu
Jumlah Kolom
Jumlah Baris
Jadi jumlah pipa total (N) N = Kolom x Baris N = 60 pipa
Luas Penukar kalor total yang tersedia A = N x Luas selimut per pipa
10 12 , 0
27 , 1 = = =
Kolom Kolom
Sp l Kolom
6 075 , 0
5 , 0 = = =
Baris Baris
Dengan Luas selimut pipa Asel
Asel = π x Dout x p
Asel = 3,14 x 0,06 x 6
Asel = 1,1365 m2
maka
A = 60 x 1,1365 A = 69,10 m2
3.2.1. Perpindahan panas di luar pipa-pipa air heater
Besarnya perpindahan panas fluida yang mengalir akan dipengaruhi oleh nilai koefisien perpindahan panas (h) yang dapat dicari dengan bilangan reynolds dan Bilangan Nusselt.
Bilangan Reynolds dihitung dengan persamaan 3-4 (Holman, J.P., 1997, hal 277)
g out gmaks g g
D u
µ ρ . .
Re = ... (3-4)
dengan, Reg : Bilangan reynolds gas asap
ρg : massa jenis gas asap (kg/m3)
ug maks : Kecepatan maksimal gas asap pada air heater (m/s)
Dout : diameter luar pipa (m)
g : Viskositas dinamik gas asap (kg/m.s)
Bilangan Nusselt dihitung dengan persamaan 3-5 (Holman, J.P., 1997, hal 268)
3 1 Pr . Re . gn
g C
dengan, Re : Bilangan reynolds Pr : Angka Prandtl
C : konstanta yang dapat dilihat pada tabel 4 lampiran n : eksponen yang dapat dilihat pada tabel 4 lampiran
Koefisien perpindahan panas (Ho) dihitung dengan persamaan 3-6 (Holman, J.P.,
1997, hal 277)
k D H
Nu o out
g = maka out g o D k Nu
H = ... (3-6)
Perhitungan akan menggunakan sifat-sifat gas asap pada temperatur rata-rata ... (3-7)
= 15o C = 288 K
Sifat-sifat gas asap pada temperatur rata-rata dapat dilihat pada tabel 3 ρg = 1,2339 kg/m3
g = 1,7869 x 10-5 kg/m.s
k = 0,02529 W/m oC Pr = 0,711
Kecepatan aliran gas panas dalam air heater dihitung dengan persamaan 3-8
ah g g g A W u ρ
dengan, Aah = Luas penampang air heater
= p x l = 6 x 1,270
= 7,62 m2 maka 62 , 7 . 9749 , 0 78 , 32 = g u
ug = 4,413 m/s
Jadi kecepatan gas panas ketika akan memasuki air heater adalah 4,413 m/s. Kecepatan aliran maksimal gas panas ketika melalui air heater dihitung dengan persamaan 3-9 (Holman, J.P., 1997, hal 278)
... (3-9)
= 22,065 m/s
Maka dengan menggunakan persamaan 3-4 dapat dihitung bilangan reynolds dari aliran gas panas
= 91913,85
Karena bilangan Reynolds ≥ 2300 maka aliran gas panas melalui air heater adalah jenis aliran turbulen.
Bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan 3-5 3 1 Pr . Re . n C Nu=
Nilai C dan n dapat dilihat di dalam tabel 4 Maka nilai C dan n adalah sebagai berikut :
C = 0,464 n = 0,57 Jadi
= 279,74
Maka besarnya koefisien perpindahan panas konveksi gas panas dapat dihitung dapat dihitung dengan persamaan 3-6
= 117,28 W/m2oC
3.2.2. Perpindahan panas di dalam pipa-pipa air heater
Besarnya perpindahan panas pada udara yang mengalir di dalam pipa-pipa air heater akan dipengaruhi oleh nilai koefisien perpindahan panas (Hi) yang
dapat dicari dengan bilangan reynolds dan Bilangan Nusselt. 3 / 1 57 , 0 711 , 0 85 , 91913 464 ,
0 × ×
Bilangan Reynolds dihitung dengan persamaan 3-10 (Holman, J.P., 1997, hal 277 ... (3-10)
dengan, Rea : Bilangan reynolds udara
ρa : massa jenis udara yang dipanaskan (kg/m3)
ua : Kecepatan aliran udara di dalam air heater (m/s)
Din : diameter dalam pipa (m)
a : Viskositas dinamik udara yang dipanaskan (kg/m.s)
Koefisien perpindahan panas udara yang dipanaskan (Hi) dihitung dengan
persamaan 3-11 ((Holman, J.P., 1997, hal 277)
k D H
Nu i in
a = maka in a i D k Nu
H = ... (3-11)
Perhitungan akan menggunakan sifat-sifat udara pada temperatur rata-rata ... (3-12)
= 117,775 oC = 390 76 K
Sifat-sifat udara pada temperatur rata-rata dilihat dari tabel 3 ρa = 0,998kg/m3
a = 2.075 x 10 -5
kg/m.s k = 0.03003 W/m oC Pr = 0,697
Kecepatan aliran udara dalam air heater dihitung dengan persamaan 3-13 N A W u pipa a a
a = ρ . ... (3-13)
dengan, Apipa = Luas penampang pipa
= 0,25 π Din2
= 0,25 x 3,14 x 0,0532 = 2,16 x 10-3 m2
maka 60 10 16 , 2 . 998 , 0 44 , 4 3× × = − a u
ua = 34,27 m/s
Jadi kecepatan udara yang akan dipanaskan ketika akan memasuki air heater adalah 34,27 m/s.
Maka dengan menggunakan persamaan 3-10 dapat dihitung bilangan reynolds dari aliran udara
= 86530,61
Karena bilangan Reynolds ≥ 2300 maka aliran udara melalui air heater adalah jenis aliran turbulen.
Bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan 3-5 3 1 Pr . Re . an
a C
Nu =
Nilai C dan n dapat dilihat di dalam tabel 4 Maka nilai C dan n adalah sebagai berikut :
C = 0,464 n = 0,57 Jadi
= 268,72
Maka besarnya koefisien perpindahan panas konveksi udara dapat dihitung dapat dihitung dengan persamaan 3-11
= 153,59 W/m2oC
Perpindahan panas menyeluruh dihitung dengan persamaan 3-14 (Holman, J.P., 1997, hal 482)
o i o out i in out H k r r D H D D U 1 8 ) / ln( 1 1 2 + +
= ... (3-14) 3 / 1 57 , 0 711 , 0 61 , 30 , 865 464 ,
0 × ×
Dengan,
H = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh Dout = Diameter luar pipa (m)
Din = Diameter dalam pipa (m)
ri = Jari –jari dalam pipa (m)
rout = Jari-jari luar pipa (m)
Hi = Koefisien perpindahan panas konveksi udara (W/m2 oC)
Ho = Koefisien perpindahan panas konveksi gas panas (W/m2 oC)
k = konduktivitas termal bahan = konduktivitas termal baja = 43 W/m2 oC
Maka 28 , 117 1 43 8 ) 026 , 0 / 03 , 0 ln( 06 , 0 59 , 153 1 052 , 0 06 , 0 1 2 + × × + = U
U = 111,36 W/m2oC U = 0,111 Kj/s m2oC
Luas permukaan penukar panas yang diperlukan dihitung dengan persamaan 3-15 (Holman, J.P., 1997, hal 481)
U T F Q A m AH ∆
= ... (3-15)
Dengan nilai temperatur rata-rata ( Tm) yang dihitung seakan-akan penurunan
[
( )/( )]
ln ) ( ) ( ai go ao gi ai go ao gi m T T T T T T T T T − − − − − =∆ ... (3-16)
[
(240 196,55)/(225 40)]
ln ) 40 25 2 ( ) 196,55 40 2 ( − − − − − =
∆Tm
Tm = 97,705 oC
Air heater adalah penukar kalor dengan fluida tak campur (udara) dan fluida campur ( gas panas) , sehingga
T 1 = 240 T2 = 225 t1 = 40 t2 = 196,55
Maka dapat dihitung nilai R dan P untuk menentukan faktor koreksi F
Karena harga R yaitu 0,096 atau terlalu kecil maka besar nilai faktor koreksi F diambil 1,0
Maka luas permukaan kalor yang diperlukan yaitu
111 , 0 705 , 97 1 33 , 708 × × = A
A = 65,11 m2
Dari perhitungan di atas maka dapat disimpulkan bahwa perpindahan panas yang diinginkan hanya membutuhkan luas penukar kalor sebanyak 65,11 m2. Maka penggunaan pipa 2 inch skedul 40 dengan dengan jumlah luas penukar kalor yang tersedia yaitu sebesar 69,10 m2 sudah mencukupi. Dengan penggunaan luas penukar kalor yang lebih besar maka suhu gas panas maupun udara keluar air
heater akan berubah. Maka dari itu akan dilakukan perhitungan ulang untuk menghitung suhu keluar gas panas dan udara keluar air heater.
Jumlah kalor yang akan dipindahkan dihitung dengan persamaan 3-15
U T A Q U T Q A m act AH m AH act . .∆ = ∆ = Maka 111 , 0 705 , 97 10 , 69
1× × ×
=
AH
Q
QAH = 751,81 kj/detik
Jika jumlah kalor yang dilepas oleh gas panas dan diterima oleh udara sudah diketahui maka suhu gas panas dan udara keluar dari air heater dapat dihitung dengan persamaan 3-1 dan 3-2
Suhu gas panas keluar air heater dihitung dengan persamaan 3-1
(hgi - hgo) = 22,93 kj/kg
dengan, hgi = h @ 240 oC (lihat tabel 1 pada lampiran)
hgi = 516,41 kj/kg
maka
hgo = hgi – 22,93
hgo = 493,48 kj/kg
Suhu gas panas keluar air heater
Tho = T @ 493,48 kj/kg (lihat tabel 1 pada lampiran)
Tho = 497,16 K
Tho = 224,16 oC
Suhu gas panas keluar dari air heater sudah mendekati dengan suhu yang diinginkan yaitu 225 oC, bahkan suhu yang dicapai dapat lebih rendah.
Suhu udara keluar dari air heater dihitung dengan persamaan 3-2
(hao – hai ) = 169,33 kj/kg
Dengan, hai = h @ 40 oC (lihat tabel 1 pada lampiran)
hai = 312,25 kj/kg
maka,
hao = 169,33 + 312,25
hao = 481,58 kj/kg
Suhu udara keluar air heater
Tao = T @ 481,58 kj/kg (lihat tabel 1 pada lampiran)
Tao = 484,83 K
Tao = 211,83 oC
Dari perhitungan di atas dapat disimpulkan bahwa penggunaan pipa 2 inch skedul 40 yang disusun pipa tabung baris segaris dengan nilai Sn/D = 1,25 dan Sp/D = 2 karena suhu yang penurunan suhu gas panas yang ingin dicapai yaitu 225 oC dapat terpenuhi.
3.2.3. Pemuaian Pipa
Perubahan temperatur pada pipa ketika pemasangan dan operasional air heater tentunya akan dapat menyebabkan pemuaian volume pipa. Pemuaian pipa dihitung dengan persamaan 3- 17. (H. Van Laek, Lawrence., 1991)
T V
V
L∆
=
∆ α
3 ………(3-17)
Dengan, V = pertambahan volume pipa (m3) V = volume awal pipa (m3)
= π l (Dout – Din)
= 3,14 x 6 (0,06 – 0,052) = 0,151 m3
αL = koefisien muai pipa (per oC) (tabel 5 pada lampiran)
= 11,7 x 10-6 per oC T = Pertambahan suhu pipa
= Tgi - Tai
= 240 – 40 = 200oC Maka pertambahan volume pipa
V = V.3αL. T
3.3. Perhitungan Fan
Penambahan air heater pada boiler akan menyebabkan penurunan tekanan (drop pressure) pada aliran gas panas maupun udara. Penurunan tekanan jika tidak ditanggulangi maka akan menyebabkan penurunan kecepatan aliran sehingga koefisien perpindahan panas akan menurun dan perpindahan panas pada air heater tidak maksimal. Maka dari itu penurunan tekanan ditanggulangi dengan penggunaan fan.
Boiler FCB dilengkapi dengan jenis 5 fan yaitu : 1. Forced Draft Fan Pembakaran Ampas
2. Forced Draft Fan Pembakaran Minyak 3. Swirling Air Fan
4. Spreading Air Fan 5. Induced Draft Fan
3.3.1. Induced Draft Fan
Spesifikasi IDF pada boiler FCB ditampilkan pada Tabel 3.1. Spesifikasi tersebut adalah spesifikasi fan untuk mengatasi penurunan tekanan gas panas sebelum adanya penambahan air heater. Kapasitas fan harus dinaikkan sebesar 20% - 40% untuk menanggulangi adanya kebocoran gas pada saluran. Pada tabel 3.1. dapat dilihat kapasitas fan sebesar 146 ton/jam dianggap sudah dinaikkan karena jumlah gas panas yaitu 118 ton/jam.
Tabel 3.1. Data Teknis Induced Draft Fan
Nama Peralatan Detail Teknis
Kipas Tarikan Paksa IDF - Aliran Massa - Tenaga Tarikan - Tenaga negatif statis - Berat Jenis udara
146 T/j 216 kW 2050 Pa 0,645 Kg/m3
Kapasitas fan (Waf) dihitung dengan persamaan 3-18.(Wakil, M. M. El, 1992, hal.
99)
p af
P W W
η ρ.
.∆
= ... (3-18)
Dengan, Waf = Daya fan (Watt)
W = Laju aliran massa (kg/detik) P = Penurunan tekanan (Pa) ρ = massa jenis (kg/m3)
Penurunan Tekanan Gas Panas
Penambahan air heater pada saluran gas panas tentunya menambah hambatan aliran gas panas menuju ke cerobong. Maka dari itu akan terjadi penurunan tekanan pada gas panas di dalam boiler akibat air heater. Penurunan tekanan pada gas panas dihitung dengan persamaan 3-19 (Babcock & Wilcox. hal 14-4)
2 3 5 10 10 73 , 1 460 30 ) ( + = ∆ G x t B fNF
p d ... (3-19)
dengan, p = Penurunan tekanan aliran di luar pipa (Pa) f = Faktor gesekan (Gambar 1 pada lampiran) N = Jumlah baris
Fd = Depth Faktor(Lihat Gambar 2 pada lampiran)
B = Tekanan Udara Luar = 30 in. at sea level t = Suhu efektif (oF)
Wg = Laju gas panas (lb/hour)
Aah = Luas Penampang air heater (sq ft)
Suhu efektif untuk gas panas dihitung dengan persamaan 3-20 (Babcock & Wilcox. Steam Generation and Use. hal 14-4)
(
)
2 95 ,
0 Thi Tho
t= + ... (3-20)
(
)
2 488 , 435 464 95 , 0 + = tt = 427,26 oF Maka Penurunan tekanan
(
)
23 5 10 024 , 82 / 260146 10 73 , 1 460 26 , 427 30 30 ) 01 , 1 6 0367 , 0 ( + × × = ∆ x p
Pada tabel sudah diketahui bahwa penurunan tekanan ( P) sebelum penambahan air heater yaitu sebesar 2050 Pa, maka penurunan tekanan setelah penambahan air heater yaitu
Ptotal = P + Pgah
= 2050 + 24,897 = 2074,897 Pa
Maka daya IDF setelah penambahan air heater dihitung dengan persamaan 3-19
Waf = 186350,11 W
Waf = 186,35 kW
Daya fan yang dibutuhkan yaitu 186,35 kW dan IDF yang tersedia memiliki tenaga tarikan sebesar 216 kW maka fan yang tersedia sudah mencukupi
3.3.2. Swirling air fan dan Spreading air fan
Perhitungan daya untuk kedua kipas tersebut dihitung secara bersamaan karena kedua kipas tersebut akan mengambil udara yang telah dipanaskan di dalam air heater. Spesifikasi Swirling air fan dan Spreading air fan yang telah tersedia dapat dilihat pada tabel 3.2
Tabel 3.2. Data Teknis Swirling Air Fan dan Spreading Air Fan
Nama Peralatan Detail teknis
Spreading Air Fan - Aliran massa
- Tenaga negatif statis - Berat jenis udara
7,1 T/j 3500 Pa 1,1 kg/m3 Swirling Air Fan
- Aliran massa
- Tenaga negatif statis - Berat jenis udara
8,9 T/j 5000 Pa 1,1 kg/m3
Di dalam perhitungan aliran massa dan tenaga negatif statis yang digunakan adalah total dari kedua fan tersebut.
Laju aliran massa (Wa)
Wa = Wspreading + Wswirling
= 7,1 + 8,9 = 16 T/j Tenaga Negatif Statis ( P)
P = Pspreading + Pswirling
= 3500 + 5000 = 8500 Pa
Daya fan yang dibutuhkan setelah penambahan air heater dihitung menggunakan persamaan 3-21 (Wakil, M. M. El, 1992, hal. 99)
p af
P W W
η ρ.
.∆
= ... (3-21)
W = Laju aliran massa (kg/detik) = Wa
P = Penurunan tekanan (Pa) = Ptotal
= Pawal + Paah
ρ = massa jenis udara (kg/m3) η = Efisiensi mekanis (diambil 0,7) Penurunan Tekanan Udara
Penurunan Tekanan Pada Pipa Lurus
Penurunan tekanan pada pipa lurus dihitung dengan persamaan 3-22 (Babcock & Wilcox. Steam Generation and Use. hal 14-5)
14400 10 / ( 3 ) 2 (
460 1 2 3
+ + = ∆ A W t t d L f P a i
f ... (3-22)
Dengan, f = Friction Factor (lihat Gambar 4 pada lampiran) L = Panjang Pipa (ft)
Di = Diameter Dalam Pipa (in)
t1 = Suhu udara input (oF)
t2 = Suhu udara output (oF)
Wa = Laju udara (lb/hour)
Apipa = Luas Penampang Pipa (sq ft)
( )(
)(
)
14400 54 , 189 19 , 770 53 , 9 ) 017 , 0 ( 14400 10 12328 , 0 / 72 , 35244 ( 3 )) 29 , 413 2 ( 104 ( 460 067 , 2 69 , 19 017 , 0 2 3 = ∆ + × + = ∆ f f P PPf = 1,64 in H2O
Pf = 408,32 Pa
Penurunan tekanan pada saat udara masuk dan keluar air heater dihitung dengan persamaan 3-23 (Babcock & Wilcox. hal 14-5)
173000
10
/
3
)
2
(
460
5
,
1
2 3 2 1
+
+
=
∆
pipa a eA
W
t
t
P
………(3-23) 173000 ) 54 , 189 )( 19 , 770 )( 5 , 1 ( 173000 10 12328 , 0 / 72 , 35244 3 ) 29 , 413 2 ( 104 ( 460 5 , 1 2 3 =
