4
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Boiler
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau steam pada tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi kalor ke suatu proses. Air di dalam boiler dipanaskan oleh panas dari hasil pembakaran bahan bakar (sumber panas lainnya) sehingga terjadi perpindahan panas dari sumber panas tersebut ke air yang mengakibatkan air tersebut menjadi panas atau berubah wujud 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 Energi kalor yang dibangkitkan dalam sistem boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boilers), atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan-temperatur tinggi untuk membangkitkan energi listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri.
Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam
boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.
Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem (MF Syahputra.2010).
2.2 Klasifikasi Boiler
Berbagai bentuk boiler telah berkembang mengikuti kemajuan teknologi dan evaluasi dari produk-produk boiler sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang boiler yang mempengaruhi lingkungan dan produk steam seperti ada yang akan dihasilkan. Berikut adalah beberapa macam klasifikasi boiler:
1. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa a. Boiler Pipa Api (Fire Tube Boiler)
Pada boiler pipa api gas panas melewati pipa=pipa dan air umpan ketel ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boiler biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas dalam operasinya.
Gambar 2.1 Fire Tube Boiler
(Sumber: Murni, Buku ajar ketel uap, 2012)
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 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).
Dalam perancangan boiler ada beberapa faktor penting yang harus dipertimbangkan agar boiler yang direncanakan dapat bekerja dengan baik sesuai dengan yang dibutuhkan. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai berikut :
a) Kapasitas yang digunakan b) Kondisi steam yang dibutuhkan c) Bahan bakar yang dibutuhkan
d) Konstruksi yang sederhana dan perawatan mudah b. Ketel Pipa Air (Water Tube Boiler)
Ketel pipa air, yaitu ketel uap dengan air atau uap berada di dalam pipa - pipa atau tabung dengan pipa api atau asap berada diluarnya. Di dalam water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk ke dalam drum. Steam terbentuk karena sirkulasi air yang dipanaskan oleh gas pembakar yang terjadi di daerah uap di dalam drum. Sebagai ketel yang sudah sangat modern, water tube boiler biasanya dirancang dengan tekanan sangat tinggi dan memiliki kapasitas steam antara 4.500-12.000 kg/jam (UNEP, 2006). Karakteristik ketel pipa air sebagi berikut:
1. Forced,induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran.
2. Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.
3. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
Gambar 2.2. Water Tube Boiler
(Sumber:angga ,pengertian boiler, 2016)
1. Berdasarkan Pemakaiannya
a. Ketel Stasioner (Stasionary boiler) atau ketel tetap
Merupakan ketel-ketel yang didudukan di atas fundasi yang tetap, seperti ketel untuk pembangkit tenaga, untuk industry dan lain-lain sebagainya.
b. Ketel pindah atau portable boiler
Merupakan ketel yang dipasang fundasi yang berpindah-pindah (mobil), seperti boiler lokomotif, lokomobil, dan ketel panjang serta lain yang sebagainnya termasuk ketel kapal (marine boiler)
2. Berdasarkan pada Poros Tutup Drum (Shell) a. Ketel Tegak (Vertical Steam Boiler)
Ketel Tegak (vertical steam boiler), adapun contoh ketel tegak seperti ketel cochran, ketel clarkson dan lain-lain sepertinya.
Gambar 2.3 Ketel Tegak (Vertical Steam Boiler)
(Sumber: Murni, Buku ajar ketel uap, 2012)
b. Ketel Mendatar (Horizontal Steam Boiler)
Adapun yang termasuk jenis ketel ini seperti seperti ketel cornish, lancashire, scotch dan lain-lain.
Gambar 2.4 Ketel Mendatar (Horizontal Steam Boiler)
(Sumber: HIMATEKLAS Surabaya, ketel uap(Boiler), 2015)
3. Berdasarkan Bentuk dan Letak Pipa
a. Ketel dalam pipa lurus, bengkok, dan berlekak-lekuk (straight, bent and sinous tubuler heating surface).
b. Ketel dengan pipa miring-datar dan miring-tegak (horizontal, inclined or vertical tubuler heating surface).
4. Berdasarkan Tekanan Kerjanya a. Ketel Peredaran Alami
Merupakan boiler dengan peredaran air didalam ketel terjadi secara alami yaitu air yang ringan nail, sedangkan air yang berat turun, sehingga terjadi aliran konveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti Ketel Lancashire, Babcock, dan Wilcox.
b. Ketel Peredaran Paksa
Merupakan boiler dengan aliran paksa, aliran paksa diperoleh dari pompa sentrifugal yang digerakan secara electric motor, misalnya system aliran paksa pada ketel-ketel bertekanan tinggi misalnya LA-mont Boiler, Benson Boiler, Loeffer Boiler dan Velcan Boiler.
5. Berdasarkan Kapasitas
a. Tekanan kerja rendah : ≤5 atm b. Tekanan kerja sedang : 5-40 atm c. Tekanan kerja tinggi : 40-80 atm d. Tekanan kerja sangat tinggi : >80 atm 6. Berdasarkna pada Sumber Panasnya a. Ketel uap dengan bahan bakar alami b. Ketel uap dengan bahan bakar buatan c. Ketel uap dengan dapur listrik
d. Ketel uap dengan energi nuklir 2.3 Komponen- komponen Boiler
Boiler terdiri dari beberapa ruangan yang memiliki fungsi berbeda-beda, yaitu:
a. Furnace (Ruang bakar)
Furnace (ruang bakar) adalah bagian dari boiler yang berfungsi untuk tempat berlangsungnya proses pembakaran bahan bakar dan udara. Tekanan gas panas yang berada didalam ruang bakar (furnace) dapat lebih besar dari pada tekanan udara luar tekanan ruang bakar positif) dan dapat juga bertekanan lebih kecil dari pada tekanan udara luar (tekanan ruang bakar negative) atau bertekanan seimbang (balance draft).
b. Burner
Burner adalah alat yang dipakai untuk menyeburkan bahan bakar kedalam ruang bakar dan menghasilkan pengabutan yang memudahkan reaksi pembakaran. Burner dilengkapi oleh igniter sebagai pematik api agar bahan bakar dan udara yang masuk ke ruang bakar dapat terbakar.
c. Superheater Tube
Superheater tube merupakan tube yang berfungsi untuk menyerap panas secara konveksi dan radiasi dari gas buang pembakaran, sehingga saturated steam dapat semakin mengering dan menjadi superheated steam
d. Steam Drum
Steam drum adalah salah satu komponen pada boiler pipa air yang berfungsi sebagai reservoir campuran air dan uap air, dan juga berfungsi untuk memisahkan uap air dengan air pada proses pembentukan uap superheater. Namun tidak semua boiler pipa air (water tube) yang menggunakan steam drum ini. Boiler supercritical beroperasi pada tekanan sangat tinggi di atas tekanan kritis, sehingga tidak dimungkinkan terbentuk gelembung-gelembung uap air, karena itulah boiler supercritical tidak memerlukan steam drum untuk memisahkan air dengan uap air.adalah bejana tempat penampungan steam baik yang dating maupun steam hasil penguapan. Drum ini menampung uap jenuh (saturated steam) beserta air dengan perbandingan antara 50% air dan 50% uap. untuk menghindari agar air tidak terbawa oleh uap, maka dipasangi sekat-sekat, air yang memiliki suhu rendah akan turun ke bawah dan air yang bersuhu tinggi akan naik ke atas dan kemudian menguap.
e. Feed Water Drum
Feed water drum merupakan bagian penting dari operasi boiler, yaitu sebagai tempat penampungan air umpan boiler. Air umpan dimasukkan ke dalam feed water drum dari pompa umpan, kemudian air dialirkan ke seluruh water tube yang ada di boiler.
f. Water Tube
Water tube berfungsi sebagai tempat pemanasan air umpan boiler yg dibuat sebanyak mungkin hingga penyerapan panas lebih merata dengan efisiensi tinggi.
g. Safety Valve
Safety valve merupakan alat yang berfungsi untuk membuang uap apabila tekanan uap telah melebihi batas yang telah ditentukan. Valve ini terdiri dari valve pengaman saturated steam dan valve pengaman superheated steam. Safety valve dapat diatur sesuai dengan aspek yang ditentukan.
h. Stack (Cerobong)
Stack merupakan cerobong asap yang berfungsi sebagai laluan flue gas terbuang ke atmosfer. Temperature flue gas sebelum terbuang ke atmosfer dijaga tidak melebihi 160oC, agar tidak terjadi kerusakan lingkungan atau merusak lapisan ozon.
i. Blowdown valve
Blowdown valve adalah valve pembuangan sebagian dari air dalam boiler yang telah tinggi konsentrasinya, dan menggantikannya dengan air umpan boiler yang baru sehingga akan menurunkan konsentrasi air dalam boiler.
j. Pressure Instrument
Pressure instrument merupakan alat yang berfungsi untuk mengukur tekanan steam yang dihasilkan dalam steam drum pada boiler.
k. Temperature Instrument
Temperature instrument merupakan alat yang berfungsi untuk mengukur temperatur steam yang dihasilkan dalam steam drum pada boiler.
l. Water Level Volume
Water level volume merupakan alat yang berfungsi untuk mendeteksi volume air, ketinggian air, dan kualitas air didalam drum secara akurat.
m. Main Steam Valve
Main steam valve merupakan alat yang berfungsi untuk mengatur jumlah dan tekanan uap yang akan disuplai, selain itu berfungsi untuk menghentikan aliran uap untuk disuplai
2.4 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. 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.
2.5 Dasar Termodinamika
Termodinamika sangat penting untuk menganalisa sembarang sistem yang melibatkan perpindahan energi. Berbagai pemakaian termodinamika yang praktis dan lazim dalam rekayasa adalah untuk menganalisa berbagai sistem yang mengandung suatu zat kerja, biasanya dalam fase cair atau gas, yang mengalir di dalam peralatan. Berbagai sistem yang menjadi pusat perhatian disini adalah sistem-sistem yang menghasilkan suatu konversi energi. Dalam berbagai sistem yang membangkitkan daya, perhatian difokuskan pada pengkonversian energi dalam dari molekul-molekul bahan bakar hidrokarbon menjadi energi listrik atau mekanis (Reynolds dan Perkins, 1977).
2.5.1 Hukum Termodinamika I
Hukum termodinamika pertama dikenal dengan prinsip konservasi energi yang menyatakan bahwa energi itu lestari. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, disebut juga Hukum Kekekalan Energi. Walaupun energi terdapat dalam berbagai bentuk, jumlah energi total adalah konstan, dan bila energi hilang dalam satu bentuk, energi ini timbul dalam bentuk lain secara bersama-sama. Dalam bentuk dasar, hukum pertama mensyaratkan:
∆(Energi sistem) + ∆(Energi sekeliling) = ...(1) (Sumber: Pudjanarso dan Nursuhud, 2006)
Energi total dari suatu sistem disebut seebagai energi dalam (U). Nilai mutlak energi dalam sistem manapun tidak mungkin diketahui, tetapi dalam termodinamika kita banyak berhadapan dengan perubahan pada energi dalam.
Energi dalam adalah sifat keadaan. Artinya nilai energi dalam bergantung hanya pada keadaan akhir sistem dan tidak bergantung pada cara pencapaian keadaan itu.
Eksperimen membuktikan dua sifat lebih lanjut dari energi dalam, yaitu:
1. Energi dalam sistem yang terisolasi adalah tetap. Pengamatan ini sering diringkas dengan ucapan bahwa energi bersifat kekal. Bukti kekekalan energi adalah kemustahilan untuk membuat mesin yang bergerak terus menerus, yang bekerja tanpa bahan bakar; mustahil untuk menciptakan atau mengahancurkan energi.
2. Sifat kedua dari energi dalam adalah perpindahan energi (karena kita dapat melihat apakah beban dinaikkan atau diturunkan dalam lingkungannya, atau apakah es sudah meleleh). Kalor dan kerja adalah cara dalam mengubah energi sistem. Energi adalah energi, bagaimanapun cara memperolehnya atau menghabiskannya.
Kedua sifat energi ini diringkaskan dalam sebuah pernyataan yang disebut hukum pertama termodinamika yaitu energi dalam suatu besarnya tetap kecuali jika diubah dengan melakukan kerja atau dengan pemanasan (Atkins, 1999). Sesuai dengan hukum ini, energi yang diberikan oleh kalor mesti sama dengan kerja eksternal yang dilakukan ditambah dengan perolehan energi dalam karena kenaikan temperatur. Secara matematis dapat dilihat pada Persamaan (2) (Daryus, 2007):
Q = U + W……… (2)
Dimana :
Q = kalor yang dipindahkan
∆U = perubahan energi dalam
W = kerja yang dilakukan dalam satuan kalor 2.5.2 Hukum Termodinamika II
Hukum kedua termodinamika dinyatakan dengan entropi. Pada hukum pertama, energi dalam digunakan untuk mengenali perubahan yang diperbolehkan sedangkan pada hukum kedua entropi digunakan mengenali perubahan spontan di
antara perubahan–perubahan yang diperbolehkan ini. Hukum kedua berbunyi entropi suatu sistem bertambah selama ada perubahan spontan.
Stot 0……….………..(3)
Proses irreversibel (seperti pendinginan hingga mencapai temperatur yang sama dengan lingkungan dan pemuaian bebas dari gas) adalah proses spontan, sehingga proses itu disertai dengan kenaikkan entropi. Proses irreversibel menghasilkan entropi, sedangkan proses reversibel adalah perubahan yang sangat seimbang, dengan sistem dalam keseimbangan dengan lingkungannya pada setiap tahap. Proses reversibel tidak menghasilkan entropi, melainkan hanya memindahkan entropi dari suatu bagian sistem terisolasi ke bagian lainnya (Atkins, 1999).
Sifat atau keadaan perilaku partikel dinyatakan dalam besaran entropi, entropi didefinisikan sebagai bentuk ketidakteraturan perilaku partikel dalam sistem.
Entropi didasarkan pada perubahan setiap keadaan yang dialami partikel dari keadaan awal hingga keadaan akhirnya.
Semakin tinggi entropi suatu sistem, semakin tidak teratur pula sistem tersebut, sistem menjadi lebih rumit, kompleks, dan sulit diprediksi. Untuk mengetahui konsep keteraturan, mula-mula kita perlu membahas hukum kedua termodinamika yang dikenal sebagai ketidaksamaan Clausius dan dapat diterapkan pada setiap siklus tanpa memperhatikan dari benda mana siklus itu mendapatkan energi melalui perpindahan kalor. Ketidaksamaan Clausius mendasari dua hal yang digunakan untuk menganalisis sistem tertutup dan volume atur berdasarkan hukum kedua termodinamika yaitu sifat entropi dan neraca entropi. Ketidaksamaan Clausius menyatakan bahwa:
dS = 𝑑𝑄𝑟 ……….(4)
dimana dQ mewakili perpindahan kalor pada batas sistem selama terjadinya siklus, T adalah temperatur absolut pada daerah batas tersebut. Sedangkan dS dapat mewakili tingkat ketidaksamaan atau nilai entropi.
2.6 Proses dan Reaksi Pembakaran
Secara umum, pembakaran dapat didefinisikan sebagai proses atau reaksi oksidasi yang sangat cepat antara bahan bakar (fuel) dan oksidator dengan
menimbulkan panas atau nyala dan panas. Bahan bakar (fuel) merupakan segala substansi yang melepaskan panas ketika dioksidasi dan secara umum mengandung unsur-unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), dan sulfur (S).
Sementara oksidator adalah segala substansi yang mengandung oksigen (misalnya udara) yang akan bereaksi dengan bahan bakar (fuel).
Dalam proses pembakaran fenomena-fenomena yang terjadi antara lain interaksi proses-proses kimia dan fisika, pelepasan panas yang berasal dari energi ikatan-ikatan kimia, proses perpindahan panas, proses perpindahan massa, dan gerakan fluida.
Seperti telah diuraikan sebelumnya, proses pembakaran akan terjadi jika unsur- unsur bahan bakar teroksidasi. Proses ini akan menghasilkan panas sehingga akan disebut sebagai proses oksidasi eksotermis. Jika oksigen yang dibutuhkan untuk proses pembakaran diperoleh dari udara, di mana udara terdiri dari 21% oksigen dan 78% nitrogen, maka reaksi stoikiometrik pembakaran hidrokarbon murni CmHn dapat ditulis dengan persamaan:
CmHn + (m + 𝑛4) O2 + 3,76 (m + 𝑛4) N2 → mCO2 + 𝑛4 + H2O + 3,75(m + 𝑛4) N2
Persamaan ini telah disederhanakan karena cukup sulit untuk memastikan proses pembakaran yang sempurna dengan rasio ekivalen yang tepat dari udara.
Jika terjadi pembakaran tidak sempurna, maka hasil persamaan di atas CO2 dan H2O tidak akan terjadi, akan tetapi terbentuk hasil oksidasi parsial berupa CO, CO2, dan H2O. Juga sering terbentuk hidrokarbon tak jenuh, formaldehida dan kadang- kadang didapat juga karbon.
2.6.1 Rasio Volumetrik
Dua metode fundamental dalam mendefinisikan kuantitas dari suatu campuran adalah berdasarkan beratnya (gravimetrik) atau berdasarkan volumenya (volumetrik). Simbol-simbol yang biasa digunakan antara lain:
I = fraksi volumetrik (fraksi mol) dari unsur atau molekul i
I = fraksi gravimetrik (fraksi massa) dari unsur atau molekul i
Jumlah dari fraksi mol atau fraksi massa untuk semua spesies dalam campuran harus merupakan sebuah kesatuan:
∑ 𝑋𝑖
𝑁
= ∑ 𝜑𝑖 = 1
𝑁
2.6.2 Campuran Udara-Bahan Bakar
Dalam suatu proses pembakaran beberapa hal penting yang perlu diperhatikan antara lain bahan bakar, udara (oksigen), kalor, dan reaksi kimia. Selain itu, perbandingan campuran bahan bakar dan udara memegang peranan yang penting pula dalam menentukan hasil proses pembakaran itu sendiri yang secara langsung mempengaruhi reaksi pembakaran yang terjadi serta hasil keluaran (produk) proses pembakaran.
Beberapa metode yang dapat digunakan untuk menghitung rasio campuran bahan bakar dan udara antara lain AFR (Air-fuel Ratio), FAR (Fuel-air Ratio),dan Rasio Ekivalen (Φ).
1. Rasio Udara-Bahan Bakar (Air-fuel Ratio/AFR)
Metode ini merupaan metode yang paling sering digunakan dalam mendefinisikan campuran dan merupakan perbandingan antara massa dari udara dengan bahan bakar pada suatu titik tinjau. Secara simbolis, AFR dihitung sebagai:
Jika nilai aktual lebih besar dari nilai AFR, maka terdapat udara yang jumlahnya lebih banyak daripada yang dibutuhkan sistem dalam proses pembakaran dan dikatakan miskin bahan bakar dan jika nilai aktual lebih kecil dari AFR stoikiometrik maka tidak cukup terdapat udara pada sistem dan dikatakan kaya bahan bakar.
2. Rasio Bahan Bakar-Udara (Fuel Air Ratio/FAR)
Rasio bahan bakar-udara merupakan kebalikan dari AFR yang dirumuskan sebagai berikut:
FAR = 𝑚𝑓𝑚𝑎̇̇ = 𝑀𝑓𝑁
̇𝑓 𝑀𝑎𝑁̇𝑎
3. Rasio Ekivalen (Equivalent Ratio, Φ)
Metode ini termasuk juga metode yang umum digunakan. Rasio ekivalen didefinisikan sebagai perbandingan antara rasio udara-bahan bakar (AFR) stoikiometrik dengan rasio udara-bahan bakar (AFR) aktual atau juga sebagai
perbandingan antara rasio bahan bakar-udara (FAR) aktual dengan rasio bahan bakar-udara (FAR) stoikiometrik.
Φ = 𝐴𝐹𝑅𝐴𝐹𝑅𝑆
𝑎 = 𝐹𝐴𝑅𝐹𝐴𝑅𝑎
a. Φ > 1 terdapat kelebihan bahan bakar dan campurannya disebut sebagai campuran kaya bahan bakar (fuel-rich mixture)
b. Φ< 1 campurannya disebut sebagai campuran miskin bahan bakar (fuel- lean mixture)
c. Φ= 1 merupakan campuran stoikiometrik (pembakaran sempurna) 4. Udara Berlebih (Excess Air – XSA)
Dalam proses pembakaran sulit untuk mendapatkan pencampuran yang memuaskan antara bahan bakar dengan udara pada proses pembakaran aktual.
Udara perlu diberikan dalam jumlah berlebih untuk memastikan terjadinya pembakaran secara sempurna seluruh bahan bakar yang ada.
Udara lebih (excess air) didefinisikan sebagai udara yang diberikan untuk pembakaran dalam jumlah yang lebih besar dari jumlah teoritis yang dibutuhkan bahn bakar. Udara lebih dapat dideduksi dengan pengukuran komposisi produk pembakaran dalam keadaan kering (dry basis). Jika produk merupakan hasil pembakaran sempurna, maka persentase udara lebih dapat dinyatakan sebagai:
% XSA = [
(𝑥𝑜2)𝑝𝑟𝑜𝑑(𝑋𝑁2)𝑝𝑟𝑜𝑑
3,76−(𝑥𝑜2)𝑝𝑟𝑜𝑑
]
2.7 Karakteristik Bahan Bakar
Syarat-syarat bahan bakar yang baik sebagai berikut :
a. Mempunyai titik nyala yang rendah, sehingga mudah terbakar b. Mempunyai nilai kalor tinggi
c. Tidak menghasilkan gas buang yang beracun dan membahayakan d. Asap yang dihasilkan sedikit, tidak banyak membentuk jelaga e. Ekonomis, mudah dalam penyimpanan dan pengangkutan f. Mempunyai efisiensi yang tinggi
Nilai kalor bahan bakar merupakan karakteristik utama bahan bakar, nilai kalori atau heating value bahan bakar padat, cair atau gas dapat dinyatakan sebagai jumlah panas yang dihasilkan dari pembakaran yang sempurna setiap satuan massa
bahan bakar. Nilai kalori bahan bakar padat dan cair dinyatakan dalam satuan Kcal/kg atau Btu/lb bahan bakar. Nilai kalori bahan bakar gas dinyatakan dalam Btu/Cuft atau Kcal/m3 pada temperatur dan tekanan tertentu. Terdapat dua istilah nilai kalori bahan bakar yaitu :
1. Higher Heating Value (HHV) atau Gross Heating Value
Higher Heating Value adalah jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran bahan bakar tiap satuan massa bahan bakaer jika hasil pembakarannya didinginkan sampai suhu kamar (H2O hasil pembakaran mengembun).
2. Lower Heating Value (LHV) atau Net Heating Value
Lower Heating Value adalah jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran tiap satuan massa bahan bakar dengan mengurangi jumlah panas yang dibawa oleh uap air yang terbentuk selama pembakaran. LHV dapat diperoleh dengan mengurangi jumlah panas hasil pembakran dengan panas penguapan air yang terbentuk selama pembakaran.
2.7.1 Solar Sebagai Bahan bakar
Solar adalah bahan bakar minyak nabati hasil destilasi dari minyak bumi mentah. Bahan bakar ini berwarna kuning coklat yang jernih. Penggunaan solar pada umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin diesel dengan putaran tinggi (diatas 1000 rpm), yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih.
Minyak solar ini biasa juga disebut Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel (Pertamina, 2005).
Bahan bakar solar mempunyai sifat-sifat utama, yaitu:
a. Warna sedikit kekuningan dan berbau
b. Encer dan tidak mudah menguap pada suhu normal
c. Mempunyai titik nyala yang tinggi (40 °C sampai 100°C) d. Terbakar secara spontan pada suhu 350°C
e. Mempunyai berat jenis sekitar 0,82 – 0,86
f. Mampu menimbulkan panas yang besar (10.500 kcal/kg) g. Mempunyai kandungan sulfur yang lebih besar daripada bensin.
Adapun spesifikasi bahan bakar solar adalah sebagai berikut :
Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar
(Sumber : PT. Pertamina, 2017)
2.8 Udara
Udara pada boiler pipa api digunakan untuk proses pembakaran. Udara proses dipasok dari kompressor yang mengambil udara dari atmosfer dan kemudian disaring dengan filter udara untuk menghilangkan debu atau kotoran lainnya.
Dalam keadaan udara kering komposisi unsur-unsur gas yang terdapat pada atmosfer terdiri atas unsur nitrogen (N2) 78%, oksigen (O2) 21%, carbon dioksida (CO2) 0,3%, argon (Ar) 1%, dan sisanya unsur gas lain seperti: ozon (O3), hidrogen (H), helium (He), neon (Ne), xenon (Xe), krypton (Kr), radon (Rn), metana, dan ditambah unsur uap air dalam jumlah yang berbeda-beda sesuai dengan ketinggian tempat. Sifat-sifat dari udara dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Sifat-sifat Udara
Sifat Nilai
Densitas pada 0o C 1292,8 kg/m3
Temperatur kritis -140,7 0C
Tekanan kritis 37,2 atm
Densitas kritis 350 kg/m3
Panas jenis pada 10000C,281,650K dan 0,89876 bar 0,28 kal/gr 0C
Faktor kompresibilitas 1000
Berat molekul 28,964
Viskositas 1,76 E-5 poise
Koefisien perpindahan panas 1,76 E-5 W/m.K
Entalpi pada 12000C 1278 kJ/kg
Sumber : Perry’s Chemical Engineering Hand’s Book, 1996
Sifat kimia udara adalah sebagai berikut :
a. Mempunyai sifat yang tidak mudah terbakar, tetapi dapat membantu proses pembakaran.
b. Terdiri dari 79% mol N2 dan 21% mol O2 dan larut dalam air 2.9 Air Umpan
Pada proses di alat Boiler Pipa Api, air digunakan sebagai bahan baku utama untuk menghasilkan uap. Uap tersebut akan digunakan untuk memutar turbin. Hasil perputaran turbin akan menghidupkan generator sehingga dihasilkan listrik.
Air umpan adalah air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi steam.
Sedangkan sistem air umpan adalah sistem penyediaan air secara otomatis untuk boiler sesuai dengan kebutuhan sistem (academia.edu : 2011).
Secara umum air yang akan digunakan sebagai umpan boiler adalah air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan terjadinya endapan yang dapat membentuk kerak pada boiler, air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan korosi terhadap boiler dan sistem penunjangnya dan juga tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan terjadinya pembusaan terhadap air boiler.
2.10 Kualitas Uap
Untuk menjamin keandalan peralatan dan efisiensi dalam pengoperasian kualitas air dan uap harus tersedia pada titik penggunaan:
a. Dalam jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai tersedia untuk perpindahan panas.
b. Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja.
c. Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat perpindahan panas.
d. Bersih, karena kerak (missal karat atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan katup.
e. Kering, dengan adanya tetesan air dalam steam akan menurunkan entalpi penguapan actual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada dinding pipa dan permukaan perpindahan panas.
