Files 733173778849

Laporan Tugas Akhir

Analisa Efisiensi Bahan Bakar Pada Boiler Pipa Api Kapasitas 1 Ton/Jam Menggunakan Bahan Bakar Solar Dan Gas Di PT. X Diajukan Untuk Melengkapi Tugas dan Memenuhi Syarat-Syarat Syarat-Syara t Guna Menyelesaikan Pendidikan Program Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknoogi Industri

Di susun oleh :

Heru Susanto 01 303303-00 005 5

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2008

Tugas Akhir

LEMBAR PERNYATAAN

Nama

: Heru Susanto

Nim

: 01303-005

Progr Program am Stud Study y

: Teknik Teknik Mesin Mesin

Fakultas

: Teknologi Industri

Dengan ini menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir ini adalah hasil karya saya sendiri dan bukan salinan atau duplikat dari orang lain, kecuali pada bagian yang telah disebutkan sumbernya dalam daftar referensi.

Jakarta, Juli 2008 Penulis

( Heru Heru Sus Susan anto to )

Heru Susanto 01303-005

i

Tugas Akhir

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA ANALISA EFISIE EFISIENSI NSI BAHAN BAHAN BAKAR BAKAR PADA BOILER PIPA API KAPASITAS 1 TON/JAM MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR SOLAR DAN GAS

Telah Diteliti & Di setujui Oleh :

Dosen Pembimbing

( Nanan Nanang g Rukh Rukhyat yat ST. MT )


ii

Tugas Akhir

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA EFISIENSI BAHAN BAKAR PADA BOILER PIPA API KAPASITAS 1 TON/JAM MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR SOLAR DAN GAS DI PT. X

Telah Diteliti & Di setujui Oleh : Mengetahui,

Koordinator Tugas Akhir

( Nanang Rukhyat ST. MT )


iii

Tugas Akhir

ABSTRAK

Peranan mesin boiler di PT. X dalam proses produksi sepatu sangat penting, dimana uap yang dihasilkan oleh mesin boiler pipa api kapasitas 1 Ton ini langsung didistribusikan ke dalam mesin hot press yaitu untuk mengepres sol tapak sepatu. Untuk mengetahui efisiensi boiler digunakan metode langsung yaitu energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler atau secara rumus : Panas Keluar

Efisiensi Boiler (η) =

X Panas Masuk

100%

Untuk meningkatkan efisiensi kerja mesin boiler tersebut ada beberapa faktor salah satunya dalam penggunaan bahan bakar. Bahan bakar yang dibahas dalam laporan ini adalah bahan bakar gas dan bahan bakar solar. Pada penggunaan bahan bakar solar nilai efisiensi mesin boiler berkisar 73,15% sampai dengan 74,39% sedangkan dengan penggunaan bahan bakar gas berkisar 82,07% sampai dengan 83,46%. Sehingga dapat dikatakan perubahan penggunaan dari bahan bakar solar ke bahan bakar gas dapat meningkatkan nilai efisiensi kerja mesin boiler sebesar 9,01 %. Dan juga faktor-faktor yang lain tidak juga harus diabaikan terutama pada perawatan komponen-komponen mesin boiler yang dapat meningkatkan efisiensi kerja mesin boiler tersebut.

Kata kunci : Boiler, Efisiensi, dan Bahan Bakar


xiii

Tugas Akhir

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan hidayahnya sehingga Tugas Akhir yang berjudul “Analisa Efesinsi Bahan Bakar

Pada Boiler Pipa Api Kapasitas 1 Ton/Jam Menggunakan Bahan Bakar “Solar dan Gas” ini dapat diselesaikan. Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberi informasi kepada semua pihak. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat dukungan, bimbingan, pengarahan dan bantuan baik moral dan material. Oleh karena itu pada kesempatan ini penyusun mengucapkan terima kasih sebesar – besarnya kepada : 

Allah SWT yang telah memberikan berbagai macam nikmat sehingga penulis diberikan kesempatan untuk mengerjakan Tugas Akhir ini.



Rasulullah SAW yang telah memberikan kita contoh suri teladan yang baik.



Kedua orang tua dan seluruh keluarga yang selalu memberikan doa dan restunya..



Bapak Nanang Ruhyat S.T,MT selaku koordinator Tugas Akhir dan dosen pembimbing atas bimbingannya dalam penyusunan Tugas Akhir ini.



Divisi Engenering di PT. Agung Pelita Industrindo



Teman – teman FTI khususnya jurusan Teknik Mesin UMB angkatan 2003.



Semua pihak yang telah membantu penyusunan sehingga dapat menyelesaikan karya tulis ini. Penyusun menyadari bahwa karya tulis ini tidak luput dari kesalahan, sehingga

penyusun mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca sekalian agar penyusun dapat menyempurnakan karya tulis ini,dan sebagai pedoman dalam penyusunan Tugas Akhir berikutnya. Heru Susanto 01303-005

iv

Tugas Akhir

Akhir kata penulis selalu berusaha untuk selalu memanjatkan doa kehadirat Allah SWT, semoga dilimpahkan rahmat dan hidayah-Nya kepada penulis dan kepada semua pihak yang telah membantu Sekian dan terima kasih.

Jakarta, Juli 2008 Penyusun

Heru Susanto


v

Tugas Akhir

DAFTAR ISI Halaman

LEMBAR PERNYATAAN ................................................................................i LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. ii KATA PENGANTAR .......................................................................................iv DAFTAR ISI .....................................................................................................vi BAB I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ..............................................................................................1 1.2. Maksud Dan Tujuan ......................................................................................2 1.3. Batasan Masalah ...........................................................................................2 1.4. Metode penulisan ..........................................................................................2 1.5. Sistematika Penulisan....................................................................................3 BAB II. LANDASAN TEORI

2.1. Pengertian Boiler...........................................................................................5 2.2. Komponen-Komponen Mesin Boiler ................................ ............................. 7 2.2.1. Komponen Utama....... ....................................................... ................7 2.2.2. Komponen Penunjang Lainnya........................................... ................8 2.3. Perpindahan Panas ......................................................................................12 2.3.1. Perpindahan Panas Secara Konduksi....... ......................... ................12 2.3.2. Perpindahan Panas Secara Konveksi. ........................... ……………. 13 2.3.3. Perpindahan Panas Secara Radiasi.................................... ................14 2.4. Sistem Kerja Boiler .....................................................................................16


vi

Tugas Akhir

2.5. Proses Pembentukan Uap ............................................................................17 2.5.1. Uap Kenyang....... ............................................................ ................18 2.5.2. Uap Panas Lanjut....... ................................ ...................... ................20 2.6. Efisiensi Boiler............................................................................................20 BAB III. PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADA BOILER

3.1. Bahan Bakar................................................................................................24 3.1.1. Bahan Bakar Gas....... ...................................................... ................25 3.1.2. Bahan Bakar Cair (Solar)....... .......................................... ................28 3.2. Proses Pembakaran......................................................................................30 3.2.1. Prinsip Pembakaran....... .................................................. ................30 3.2.2. Pembakaran Tiga T....... ................................ ................... ................31 3.2.3. Susunan Gas Asap............................................................ ................33 3.2.4. Neraca Bahan Dan Neraca Kalor...................................... ................33 3.2.5. Proses Pembakaran Bahan Bakar Gas....... ....................... ................34 3.2.6. Pembakaran Bahan Bakar Cair (Solar)....... ...................... ................35 3.2.7. Operasi Pembakaran....... ................................................. ................36 3.3. Perhitungan Stokiometri Kebutuhan Udara..................................................38 3.3.1. Perhitungan Stokiometri Udara Yang Dibutuhkan Untuk Pembakaran....... ....................... ................38 3.3.2. Menghitung Persen Kelebihan Udara Yang Di Pasok (EA)....... ................................................. ................41 3.3.3. Menghitung Massa Udara Sebenarnya Yang Di Pasok (ASS)....... ............................................... ................41


vii

Tugas Akhir

BAB IV. EFISIENSI KERJA BOILER

4.1. Spesifikasi Boiler Di PT. X .........................................................................42 4.2. Pengolahan Data .........................................................................................45 4.3. Perbandingan Data ......................................................................................49 4.4. Analisa Data................................................................................................57 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan.................................................................................................59 5.2. Saran...........................................................................................................60 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN


viii

Tugas Akhir

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

Boiler ...........................................................................................5

Gambar 2.2

Pipa api.........................................................................................6

Gambar 2.3

Pipa air..........................................................................................6

Gambar 2.4

Burner...........................................................................................9

Gambar 2.5

Profil suhu konduksi ...................................................................13

Gambar 2.6

Mekanisme perpindahan panas secara konveksi .......................... 14

Gambar 2.7

Perpindahan panas konduksi, konveksi, radiasi ........................... 15

Gambar 2.8

Diagram kerja boiler ...................................................................16

Gambar 3.1

Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak sempurna ........ 33

Gambar 3.2

Neraca baan dan neraca kalor................................ ...................... 33


ix

Tugas Akhir

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1

Perbandingan komposisi kimia berbagai bahan bakar .....................26

Tabel 3.2

Spesifikasi analisis bahan bakar......................................................38

Tabel 4.1

Hasil perhitungan............................................................................56


x

Tugas Akhir

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1

Jumlah pemakaian bahan bakar terhadap efisiensi kerja.................56

Grafik 4.2

Panas yang dihasilkan boiler terhadap efisiensi kerja ....................56

Grafik 4.3

Pemakaian bahan bakar terhadap panas yang dihasilkan boiler ......57


xi

Tugas Akhir

NOMEN KLATUR

Be

Jumlah pemakaian bahan bakar

kg bahan bakar/jam

Cp

Kapasitas panas pada tekanan konstan

J/kg.K

E

Perbandingan jumlah uap yang dihasilkan

kg uap /kg bahan

terhadap pemakaian bahan bakar

bakar

hin=h1

Entalpi air

kJ/kg

hout =h2

Entalpi uap

kJ/kg

m

Massa alir (air, bahan bakar)

kg/detik

Q=Qin

Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler

MW

Qbahan-bakar

Panas yang dihasilkan bahan bakar

kW

Qboiler

Panas yang dihasilkan boiler

kW

Q

Debit alir (Air, bahan bakar)

m /jam

S

Produksi uap

Kg uap/jam

s

Entropi

kJ/kg.K

T 1

Temperatur air masuk

K

T 2

Temperatur uap keluar

K

η Boiler

Efisiensi boiler

%

ρair

Berat jenis air

kg/m


3

3

xii

Tugas Akhir

BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Proses produksi merupakan proses pengolahan bahan mentah menjadi bahan

setengah jadi atau barang jadi. Proses produksi telah berkembang dari sektor yang mengandalkan tenaga kerja menjadi sektor yang mengutamakan teknologi tinggi dan berorientasi pada otomatisasi. Faktor pendorong utama dalam otomatisasi industri adalah kebutuhan untuk meningkatkan produktifitas dan kualitas produk. Sejalan dengan perkembangan zaman, sejak dahulu kala hingga saat ini masalah energi dari hari ke hari dirasa masih kurang. Hal ini menjadi tantangan para teknokrat untuk selalu berfikir dan berusaha mengatasi masalah tersebut agar jelas solusinya. Salah satu solusi dalam pemenuhan energi adalah ketel uap ( boiler ), dimana digunakan untuk penyelesaian pekerjaan-pekerjaan yang dapat diselesaikan dengan energi uap, baik itu uap jenuh maupun uap panas lanjut.


1

Tugas Akhir

Ditinjau dari prinsip kerja Boiler yang merubah energi bahan bakar menjadi energi uap melalui proses serangkaian kerja mesin-mesin yang melakukan kerja pemompaan air kedalam ketel kemudian dipanaskan sehingga menghasilkan uap yang dapat digunakan, salah satunya untuk pekerjaan mesin hot press yang menggunakan energi uap tersebut untuk melakukan pengepresan sol tapak sepatu,

1.2

Maksud Dan Tujuan Maksud dan tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah : 1. Menentukan efisiensi kerja mesin Boiler dan kebutuhan kalor pada bagian komponen Boiler. 2. Mempelajari dan memahami sistem kerja dari mesin Boiler.

1.3

Batasan Masalah Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis hanya membahas sebatas ruang

lingkup “ Menentukan efisiensi kerja mesin Boiler dengan menggunakan dua bahan bakar yaitu solar dan gas yang juga sekaligus menjadi judul dari Tugas Akhir ini.

1.4

Metode Penulisan Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis mempergunakan beberapa metode, antara lain : 

Melakukan studi literature dengan mempelajari teori-teori yang berhubungan dengan Tugas Akhir yang disusun.


2

Tugas Akhir



Melakukan wawancara dengan pihak-pihak yang dapat membantu dalam kelancaran penyusunan Tugas Akhir ini.

1.5

Sistematika penulisan. Sistematika penulisan yang digunakan mencakup keseluruhan isi penulisan

yang diuraikan oleh masing-masing bab. Sistematika penulisan yang dibuat adalah sebagai berikut:

BAB 1 PENDAHULUAN Dalam bab ini membahas tentang latar belakang permasalahan, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II LANDASAN TEORI Dalam bab ini akan diterangkan mengenai dasar-dasar teori yang berkaitan dengan pembahasan Boiler, perpindahan panas yang terjadi pada Boiler, sistem kerja Boiler dan teori-teori yang berkaitan dengan teori-teori yang berkaitan dengan perhitungan efisiensi boiler. BAB III PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADA BOILER Dalam bab ini berisikan tentang proses terjadinya pembakaran BAB IV EFISIENSI BAHAN BAKAR Dalam bab ini penulis akan mengolah data-data yang diperoleh dan membandingkannya serta menganalisa hasil perhitungan yang telah didapat sehingga didapat hasil analisa dan solusi mengenai permasalahan yang dihadapi.


3

Tugas Akhir

BAB V PENUTUP Dalam bab ini berisikan tentang kesimpulan-kesimpulan dan saran-saran yang didapat dari hasil pembahasan dan pengamatan penulis. DAFTAR PUSTAKA


4

Tugas Akhir

BAB II LANDASAN TEORI

2.1

Pengertian Boiler

Boiler dapat didefinisikan sebagai sebuah alat yang digunakan untuk mentransfer kalor atau panas yang diproduksi dari pembakaran fluida. Boiler digunakan untuk menghasilkan air panas, uap jenuh (uap pada temperatur jenuh), atau uap panas lanjut (uap yang dipanaskan diatas temperatur jenuh).

Gambar 2.1.Boiler Heru Susanto 01303-005

5

Tugas Akhir

Boiler dapat diklafikasikan dalam beberapa kelas, yaitu : 1.

Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa a. Boiler pipa api ( fire tube boiler ) Pada boiler pipa api , fluida yang mengalir dalam pipa adalah gas nyala (hasil pembakaran), yang membawa energi panas ( thermal energy) yang segera mentransfer ke air melalui bidang pemanas ( heating surface ). Tujuan pipapipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas ( kalor ) kepada air.

Gambar 2.2. Pipa Api

b. Boiler pipa air (water tube boiler ) Pada boiler pipa air, fluida yang mengalir dalam pipa air adalah air, energi panas ditransfer dari luar pipa (yaitu ruang dapur) ke air.

Gambar 2.3. Pipa air Heru Susanto 01303-005

6

Tugas Akhir

2.

Berdasarkan pemakaiannya a. Boiler tetap (stasionary boiler ) Yang termasuk stasioner ialah boiler yang didudukkan diatas fundasi yang tetap, seperti boiler untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain. b. Boiler pindah ( portable boiler ) Yang termasuk portable ialah boiler yang dipasang pada fundasi yang berpindah-pindah, seperti boiler lokomotif, kapal dan lain-lain. Berdasarkan letak dapur ( furnace position)

3.

a. Boiler dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler ) Dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) dibagian dalam boiler, kebanyakan boiler pipa api memakai sistem ini. b. Boiler dengan pembakaran di luar ( outernally fired steam boiler ) Dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian luar boiler, kebanyakan boiler pipa air memakai sistem ini. 4.

Berdasarkan kepada poros tutup drum a. Boiler tegak (vertical steam boiler ) b. Boiler mendatar (horizontal steam boiler )

2.2

Komponen-Komponen Mesin Boiler

2.2.1

Komponen Utama

1.

Dapur (Furnance) Yaitu tempat dimana bahan bakar dibakar dan terbentuk gas asap. Dinding tungku pada dasarnya adalah lapisan tebal a sbes tahan api yang diapit pada bagian luar plat tebal sebagai casing luar boiler dan sebagai pengisolasi dari udara luar. Pada bagian paling depan yang menghadap ke api terdapat


7

Tugas Akhir

susunan pipa-pipa penguap yang disebut dinding air (water tube wall) yang akan menerima panas dari gas asap secara radiasi pada level bawah. Ruang furnace dibatasi oleh : a. Lorong api b. Pipa api Pipa-Pipa Penguap ( Riser )

2.

Yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial uap (energi panas). 2.2.2

Komponen Penunjang lainnya

1.

Economiser

Yaitu pipa-pipa pemanas air yang terletak dibagian belakang laluan gas asap yang akan dimanfaatkan untuk memanaskan terlebih dahulu air umpan boiler sebelum dimasukkan ke drum sehingga menaikkan efisiensi

dan

mengurangi perbedaaan suhu yang besar pada dinding drum. Keuntungan menggunakan economizer adalah : a. Menghemat bahan bakar 15-20 %. b. Memperpendek waktu operasi air menjadi uap. c. Dengan kondisi air pengisian yang telah panas pada boiler dapat mengurangi

konsentrasi udara (O 2) dalam boiler karena oksigen adalah gas yang paling cepat merusak boiler, sehingga penggunaan economizer pada boiler dapat mengurangi kerusakan dan mengurangi terbentuknya kerak dalam boiler maupun saluran uap. 2.

Burner

Yaitu peralatan yang menyemprotkan bahan bakar dan udara masuk kedalam sehingga terbakar dalam tungku. Bahan bakar minyak lebih sulit Heru Susanto 01303-005

8

Tugas Akhir

terbakar dibandingkan denngan bahan bakar gas alam, sebab sebelum dilakukan pembakaran pada burner terlebih dahulu bahan bakar minyak harus dipersiapkan misalnya percampuran dengan udara. Untuk minyak-minyak yang kental (viskositas tinggi) perlu terlebih dahulu

dipanaskan.

Pemanasan

bahan

bakar

dimaksudkan

untuk

menguapkannya (berbentuk gas) sehingga mudah bercampur dengan udara sehingga dapat dicapai penbakaran yang sempurna. Ada beberapa cara mempersiapkan bahan bakar minyak untuk pembakaran termasuk penguapan atau gasifikasi dari minyak dengan cara memanaskannya dalam burner atau atomisasi dari minyak ke dalam aliran udara. Atomisasi minyak dapat dilakukan dengan memakai udara atau uap bertekanan tinggi.

Gambar 2.4 Burner

3.

Cerobong ( stack ) Stack berfungsi sebagai saluran untuk membuang gas asap sisa pembakaran ( fuel gas) keluar dari boiler. Selain itu dibuat tinggi, stack pada ketinggian tertentu agar memperoleh tarikan cerobong asap ( stack draft ) yang


9

Tugas Akhir

cukup serta mencegah terbentuknya asam sulfat dari reaksi sulfur yang terdapat pada gas sisa pembakaran dengan H 2O yang terdapat pada udara luar. Terbentuknya asam sulfat harus dicegah karena bersifat sangat korosif. 4.

Gelas Penduga ( Level Glass) Gelas penduga ini sangat penting fungsinya untuk mengetahui tinggi permukaan air di dalam boiler. Sebagai alat keselamatan kerja, boiler sangat tergantung pada alat ini. Jika tidak berfungsi tentu saja hal ini dapat mengganggu proses produksi secara keselurahan. Gelas penduga terdiri atas 2 buah pipa kaca yang dilengkapi indikator level yang jelas dan mudah terbaca. Cara kerjanya ialah dengan menggunakan prinsip bejana berhubungan. Jika kondisi gelas penduga tersebut rusak, hal tersebut tidak perlu dikhawatirkan karena jika ketinggian air di dalam ketel kurang dari yang diisyaratkan maka boiler tersebut akan mati dengan sendirinya ( automatic).

5.

Sirkulasi Air ( Blow Down) Sirkulasi air pada boiler diharapkan dapat mengurangi konsentrasi zatzat kimia, kotoran lumpur dan mencegah terjadinya busa karena terikatnya padatan kima ke dalam steam. Ada 2 jenis sirkulasi ( blow down) pada boiler ini yaitu blow down belakang dan blow down samping.

6.

Level Control Air (Water Flow Meter ) Terdapat 1 buah level control air yang berfungsi untuk start dan stop pengisian air ke boiler yang dijalankan oleh pompa.

7.

Manometer (Pressure Gauge ) Berfungsi untuk mengetahui berapa tekanan uap pada boiler.


10

Tugas Akhir

8.

Pressure Switch

Ada 2 set pressure switch yang berfungsi untuk mengontrol secara otomatis tekanan boiler, sehingga tekanan uap boiler yang diinginkan dapat disesuaikan. 9.

Katup Pengaman (Safety Valve) Safety Valve berfungsi untuk membuang uap atau steam. Bekerjanya

secara mekanik apabila tekanan uap boiler tersebut melebihi tekanan maksimal. 10.

Lubang Lalu Orang ( Man Hole) Berfungsi sebagai jalan masuk orang ke dalam boiler agar dapat membersihkan atau mencek ruang air dan lorong api.

11.

Pompa 1 buah pompa untuk memompakan air dari tangki utama ke Softener Tank . 2 buah pompa lain memompakan air dari feed water tank ke boiler serta

1 buah pompa untuk memompakan bahan bakar ke boiler, tetapi yang dipakai hanya satu unit. Pompa tersebut dijalankan secara bergantian oleh operator yang bertugas. 12.

Steam Drum Steam Drum dapat disebut juga main drum atau drum utama yang

letaknya pada bagian puncak boiler, berisi sebagian air jenuh dan sebagian uap jenuh, air jenuh ini diperoleh dari economiser serta uapnya diperoleh dari pipa-pipa riser . 13.

Steam Superheater

Adalah pipa-pipa pemanas untuk memanaskan uap jenuh atau Saturated Steam dari drum menjadi uap lewat jenuh atau Superheater Steam. Heru Susanto 01303-005

11

Tugas Akhir

2.3

Perpindahan Panas

Perpindahan panas atau alih bahan ( heat transfer ) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur antara dua material atau flluida yang berbeda. Karena sifat dasar panas adalah energi panas akan berpindah tempat yang mempunyai temperatur tinggi menuju ke temperatur yang rendah. Kuantitas atau jumlah perpindahan panasnya berbanding lurus dengan perbedaan temperatur. Ada tiga macam perpindahan panas yang mendasar yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi atau pancaran. 2.3.1

Perpindahan Panas Secara Konduksi

Secara konduksi (merambat) adalah cara perpindahan panas dari benda yang memiliki temperatur tinggi menuju temperatur yang rendah, tanpa tergantung dari gerakan benda tersebut. Pada umumnya terjadi pada benda padat. Persamaan laju perpindahan panas tersebut ialah : (J.P Holman, perpindahan kalor : 2)

q

Dimana ;





kA

 T  x

q = Laju perpindahan panas ( Watt ) k = Konduktivitas thermal ( W/mº C ) 2

A = Luas permukaan ( m ) δt = Perbedaan benda ( ºC ) δx = Panjang lintasan ( m )


12

Tugas Akhir

Gambar 2.5. Profil Suhu Konduksi 2.3.2

Perpindahan Panas Secara Konveksi

Secara konveksi (mengalir) adalah cara perpindahan panas, dimana panas ikut berpindah bersama dengan fluida (udara, air) yang membawanya. Panas akan mengalir secara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan, panas yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu partikel- partikel fluida ini, kemudian partikel fluida tersebut akan bergerak ke suhu yang lebih rendah dimana fluida akan bercampur dengan partikel- partikel fluida lainnya. Persamaan

laju

perpindahan

panas

secara

konveksi

yaitu

dengan

menggunakan hukum Newton tentang pendinginan : (J.P Holman, perpindahan panas : 11)

q = h.A ( Tw - T∞ )

Dimana ;

h = koefisien perpindahan panas ( W/m2.ºC ) 2

A = Luas permukaan ( m ) Tw = Temperatur plat ( ºC ) T∞ = Temperatur fluida ( ºC )


13

Tugas Akhir

Hembusan Fluida T∞

Benda q = h.A ( Tw - T∞ )

Tw

Gambar 2.6. Mekanisme Perpindahan Panas Secara Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu : a.

Konveksi alami, panas mengalir secara alami, misalnya karena perbedaan

kepadatan (densitas). Bejana yang berisi (fluida), apabila bagian bawahnya dipanaskan maka fluida yang berkurang kepadatannya bergerak naik dan fluida yang lebih tinggi kepadatannya akan bergerak turun. b.

Konveksi paksa, panas mengalir karena paksaan, seperti pompa, blower,

radiator dll. 2.3.3

Perpindahan Panas Secara Radiasi

Secara radiasi (memancar) ialah perpindahan panas tanpa perantara, dimana panas mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah bila benda tersebut terpisah didalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda-benda tersebut, maka panas yang dimiliki berubah menjadi gelombang elektromagnetik. Maka didapat persamaan perpindahan panas radiasi, yaitu :


14

Tugas Akhir

(J.P Holman, perpindahan kalor : 1)

qpancaran = σ . A . T

Dimana ;

4

qpancaran = Laju perpindahan panas radiasi ( kW ) -8

2

4

σ

= Konstanta Stefan-Boltzmann ( 5,669 x 10 W/m .K )

A

= Luas permukaan ( m )

T

4

2

=

Temperatur plat ( ºC )

Gambar 2.7. Perpindahan Panas Konduksi, Konveksi, Radiasi


15

Tugas Akhir

2.4

Sistem Kerja Boiler

Tangki Distribusi

Tangki BB Solar

kran

Mesin Hot Press

Kantin

Mesin Boiler

Tangki BB Gas

P2

P1

Feed Tank

Softener Tank

Tangki Air Utama

Gambar.2.8. Diagram Kerja Boiler

Keterangan : A.

Air dimasukkan ke dalam softener tank dari tungku air utama dengan bantuan pompa. Softener tank ini berfungsi untuk memisahkan koloid-koloid yang terkandung dalam air seperti garam, minyak dan lainnya. Jika hal tersebut diabaikan dapat menyebabkan kerusakan pada ketel.

B.

Dari softener tank air tersebut dialirkan ke dalam feed tank dengan kondisi air masih dalam keadaan dingin.

C.

Selanjutnya air di dalam feed tank dimasukkan ke dalam boiler

dengan

menggunakan pompa hingga sesuai batas optimal kerja boiler.


16

Tugas Akhir

D.

Kemudian kran bahan bakar dibuka untuk menuju burner yang berada pada boiler, apabila menggunakan solar maka maka pengisiannya dibantu oleh pompa sedangkan gas langsung membuka kran saja.

E.

Setelah persiapan telah siap maka boiler secara otomatis akan bekerja dan mulai memanaskan air.

F.

Kemudian uap yang dihasilkan oleh boiler menuju tangki distribusi baru kemudian didistribusikan kepada mesin hot press dan untuk keperluan kantin.

2.5

Proses Pembentukan Uap

Bila diatas sekeping logam terdapat beberapa tetes air dan kita perhatikan 0

0

molekul-molekul air tersebut, temperatur air pada saat itu ialah T o K atau To C. Molekul-Molekkul air tersebut bergerak bebas kesana kemari dalam lingkungannya (dalam lingkungan air). Dengan kecepatan gerak V o meter/detik. Molekul-molekul tersebut dalam gerakannya kesana kemari tidak akan dapat meninggalkan lingkungannya, yaitu lingkungan air karena adanya gaya tarik-menarik antara molekul-molekul air itu sendiri. Apabila dibawah kepingan logam tersebut dipasang api,sedemikian sehingga api tersebut memanasi kepingan logam yang diatasnya terdapat beberapa tetes air, maka temperatur air tersebut akan naik menjadi T

0 1

K, dan ternyata kecepatan gerak

dari molekul-molekul air tersebut akan bertambah menjadi V 1 meter/detik, namun belum mampu untuk melepaskan diri dari lingkungannya. Dan bila api yanng dipasang dibawah kepingan logam tersebut senantiasa ditambah besarnya, sedemikian sehingga temperatur air diatas kepingan logam 0

tersebut mencapai T d K, sedangkan kecepatan gerak molekul-molekul air tersebut Heru Susanto 01303-005

17

Tugas Akhir

telah mencapai Vd meter/detik, sehingga molekul-molekul air tersebut mampu untuk melepaskan diri dari lingkungannya, dan mampu untuk melepaskan diri dari gaya tarik-menarik antara molekul-molekul air tersebut. Molekul-molekul air yang melepaskan diri dari lingkungannya tersebut akan berubah menjadi molekul uap yang kecepatan gerakannya melebihi kecepatan gerak molekul-molekul air semula. Proses yang demikian tadi disebut ” Proses Penguapan”. Molekul-molekul air berubah menjadi molekul uap, atau disebut juga bahwa air tersebut sedang mendidih, karena permukaan air menjadi bergolak. Temperatur air pada saat itu mencapai “temperatur mendidih” yaitu T d 0K. Dan bila api masih saja ditambah besarnya, 0

ternyata bahwa temperatur mendidih

T d K tidak akan berubah atau tetap saja

besarnya, selama tekanan yang ada diatasnya diperhatikan tetap saja besarnya. 2.5.1

Uap Kenyang

Apabila proses penguapan tersebut dilakukan dalam tempat yang tertutup 0

seperti gambar, yaitu mula-mula tangki diisi dengan air pada temperatur T o K, kemudian tangki dipanasi secara terus-menerus sehingga temperatur air di dalam 0

0

tangki akan naik terus-menerus dari T o K dan mencapai Td K, maka akan terbentuk uap. Untuk semntara kran K1 dibiarkan terbuka, sehingga sebagian uap air yang terbentuk dibiarkan keluar melalui kran K 1 untuk beberapa saat lamanya. Kemudian kran K1 ditutup, sehingga tidak ada uap yang dapat keluar lagi. Tekanan di dalam tangki diusahakan tetap besarnya, sementara itu kran K 2 dibuka. Apabila keadaan setimbang tercapai, yaitu permukaan air di dalam tangki untuk sementara tetap kedudukannya, maka hal ini berarti bahwa pada temperatur T d 0

K tersebut ada sejumlah molekul-molekul air per satuan waktu yang berubah menjadi

molekul-molekul uap. Namun agar kedudukan permukaan air di dala tangki tersebut


18

Tugas Akhir

tetap saja, maka tentulah harus ada sejumlah molekul-molekul uap yang sama banyaknya per satuan waktu yang berubah menjadi molekul-molekul air. Dengan demikian dapat dikatakan, bila keadaan setimbang tercapai akan terdapat sama banyak jumlah molekul-molekul air yang berubah menjadi molekulmolekul uap dengan molekul-molekul uap yang berubah menjadi molekul-molekul air per satuan waktu tertentu. 0

Temperatur air=

Temperatur uap

= Td K

Tekanan air

Tekanan uap

= p Newton/m

=

2

Ternyata selama tekanannya tetap setiap pemberian panas hanya akan berakibat menguapkan airnya tanpa menaikkan temperatur mendidihnya. Uap yang dalam keadaan demikian tadi disebut uap kenyang. Dapat dikatakan : Uap kenyang senantiasa mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan ( p) dengan temperatur mendidihnya ( T d) . Bila tekanan dinaikkan temperatur mendidih akan naik dan sebaliknya bila tekanan diturunkan naka temperatur mendidihnya juga akan turun. Dengan demikian ciri-ciri uap kenyang adalah sebagai berikut : 

Uap kenyang adalah uap yang dalam keadaan setimbang dengan air yang ada di bawahnya.



Uap kenyang adalah uap mempunyai tekanan dan temperatur mendidih yang sama dengan tekanan dan temperatur mendidih air yang ada dibawahnya.



Uap kenyang adalah uap yang mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan ( p) dan temperatur mendidihnya ( T d) .



Uap kenyang adalah uap yang apabila didinginkan akan segera mengembun menjadi air.


19

Tugas Akhir

2.5.2

Uap Panas Lanjut

Bila uap kenyang yang diperoleh dibawa keluar dari tangki melalui sebuah pipa atau alat yang disebut pemanas lanjut uap, dan kemudian dipanaskan lebih lanjut hingga

0

0

temperaturnya mencapai Tu K yang jauh lebih panas daripada Td K

sedangkan tekanannya diatur tetap. Maka uap yang kita peroleh dengan cara tersebut dinamakan uap panas lanjut atau superheated steam. Dengan demikian

: uap yang dipanaskan lanjut tidak lagi mempunyai

pasangan-pasangan harga antara tekanan ( p) dengan temperaturnya ( T u). Ciri-ciri uap yang dipanaskan lanjut adalah : 

Uap yang tidak bisa seimbang dengan air.



Uap yang tidak mempunyai pasangan-pasangan harga antara tekanan ( p) dan temperaturnya (T u).



Uap yang apabila didingnkan tidak akan mengembun.



Uap yang temperatur T u K jauh lebih tinggi di atas temperatur air mendidih

0

0

2

Td K pada tekanan p Newton/m .

2.6

Efisiensi Boiler

Efisiensi boiler dapat dihitung dengan tiga cara, yaitu : 1. Metode langsung : Panas berguna dalam uap x 100 Efisensi (%)

=

--------------------------------------Energi total dalam bahan bakar

2. Metode tak langsung Efisensi (%) = 100 % -  ( Rugi-rugi) (%)


20

Tugas Akhir

3. Metode dengan menggunakan grafik Secara praktis efisiensi boiler dapat dihitung dengan menggunakan grafik rugirugi panas dan ekses udara. Dalam hal ini penulis akan mempergunakan metode yang pertama yaitu metode langsung dalam melakukan perhitungan untuk mengetahui efisiensi yang terjadi pada boiler. Proses yang terjadi pada boiler adalah pengisian untuk boiler diperoleh dari feed tank yang dipompakan ke dalam boiler. Dan air yang masuk ke dalam boiler

dipanaskan hingga menjadi uap, maka panas yang dibutuhkan oleh boiler untuk memanaskan air sampai menjadi uap denagan kapasitas produksi uap pada boiler 1 Ton, secara matematis proses tersebut dapat dituliskan seperti dibawah ini. Secara teoritis kesetimbangan energinya dituliskan sebagai berikut : (Harahap Filino, Thermodinamika Teknik, Hal 207) Q 



h







in

h

o u t



masukan energi

 W 



k e lu a r a n energi

Karena tidak ada kerja yang terjadi di dalam boiler maka W=0 sehingga persamaan tersebut menjadi : Q

h



o u t



h

in

Kondisi tersebut adalah kondisi aktual, dimana h

in



h

1

dan h

ou t



h

2

.

Jadi banyaknya panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air sampai menjadi uap dengan kapasitas produksi uap pada boiler 1 Ton maka : (Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal.54)

Q

in




S  h 2



h1



21

Tugas Akhir

Dimana :

Qin Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler (kJ/jam) =

h1

Entalpi Air (kJ/kg)

=

h2

Entalpi Uap (kJ/kg)

=

S

=

Produksi Uap (kg uap/Jam)

Sehingga untuk mendapatkan panas yang dihasilkan oleh boiler dituliskan sebagai berikut : (Lindsley David, Boiler Control System, Hal 131)

m Q

 



boiler

Keterangan : m Q

0

air 80 C

x Q air

m h2



h1 

= Massa alir (kg/detik) 3

=Debit alir air (m /jam) 3

ρair = Berat jenis air (kg/m )

Qboiler

=

Panas yang dihasilkan Boiler (kW)

Untuk proses pembakaran pada boiler digunakan bahan bakar solar dan gas sehingga jumlah pemakain bahan bakar, Be(kg bahan bakar/jam) dapat dihitung, secara matematis dituliskan sebagai berikut : (Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal.55) Be

Dimana :



Qin NKB

Qin = Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler (kJ/jam) NKB = Nilai pembakaran bawah bahan bakar

Perbandingan jumlah uap yang dihasilkan terhadap pemakaian bahan bakar, E (kg uap/kg bahan bakar).


22

Tugas Akhir

(Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal.55) E 

Dimana :

S Be

S = Produksi Uap (kg uap/jam) Be = Jumlah Pemakaian Bahan Bakar (kg bahan bakar/jam)

Sehingga panas yang dihasilkan oleh bahan bakar secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

Q

bahan

bakar



m x N K B

Kemudian untuk menentukan efisiensi boiler berdasarkan rumus yang telah diketahui dapat dituliskan sebagai berikut :

 Boiler




Q Boiler Q Bahan

x100%

bakar



23

Tugas Akhir

BAB III PROSES PEMBAKARAN BAHAN BAKAR PADA BOILER

3.1

Bahan Bakar

Bahan bakar ( fuel) adalah

bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan

proses pembakaran tersebut dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar dibakar dengan tujuan untuk memperoleh kalor tersebut, untuk digunakan baik secara langsung maupun tak langsung. Sebagai contoh penggunaan kalor dari proses pembakaran secara langsung adalah: 

untuk memasak di dapur-dapur rumah tangga,



untuk instalasi pemanas,

sedang contoh penggunaan kalor secara tidak langsung adalah: 

kalor diubah menjadi energi mekanik, misalnya pada motor bakar,



kalor diubah menjadi energi listrik, misalnya pada pembangkit listrik tenaga diesel, tenaga gas dan tenaga uap.


24

Tugas Akhir

Bahan bakar yang digunakan di dalam boiler pada umumnya diklafisifikasikan sebagai berikut : 1. Bahan bakar padat 2. Bahan bakar cair 3. Bahan bakar gas Untuk melakukan pembakaran diperlukan tiga unsur, yaitu : 1. bahan bakar 2. oksigen dari udara pembakaran 3. suhu untuk memulai pembakaran Jadi tergantung pada jenis yang bahan bakar yang dipergunakan pada boiler, dikarenakan boiler yang penulis bahas adalah menggunakan bahan bakar solar dan gas maka sistem pembakaran yang dipergunakan adalah sistem pembakaran bahan bakar gas dan sistem pembakaran bahan bakar cair (solar). 3.1.1

Bahan Bakar Gas

Didalam tanah banyak terkandung : gas bumi ( petrol gas) atau sering pula disebut gas alam yang timbul pada saat proses pembentukan minyak bumi, gas tambang, dan gas rawa (CH4 atau methan). Seperti halnya minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran dari dalam tanah, baik di daratan maupun di lepas pantai terhadap lokasilokasi yang diduga terdapat kandungan gas ala m. Gas alam tersusun dari parafin hidrokarbon, khususnya gas metana bercampur dengan nitrogen, N2, dan karbon dioksida, CO2, diperoleh dari tambang dengan pengeboran tanah melalui batuan kapur atau batuan pasir. Kandungan metananya di atas 90%. Sulfur dalam jumlah yang sangat sedikit juga ada. Karena metan


25

Tugas Akhir

merupakan komponen terbesar dari gas alam, biasanya sifat metan digunakan untuk membandingkan sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainnya. Gas alam merupakan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi yang tidak memerlukan fasilitas penyimpanan. Gas ini bercampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. Gas ini tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan menyebar ke udara dengan mudahnya jika terjadi kebocoran. Perbandingan kadar karbon dalam minyak bakar, batubara dan gas diberikan dalam tabel dibawah. Tabel 3.1 Perbandingan Komposisi Kimia Berbagai Bahan Bakar

(Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org) Bahan Bakar Solar

Batubara

Gas Alam

85,9

58,96

74

Hidrogen

12

4,16

25

Sulfur

0,5

0,56

-

Oksigen

0,7

11,88

0,25

Nitrogen

0,5

1,02

0,75

Abu

0,05

13,99

-

Air

0,35

9,43

-

Karbon

Mengingat makin menyusutnya cadangan minyak bumi di dalam tanah, dewasa ini banyak dieksplorasi dan dimanfaatkan penggunaan gas bumi sebagai bahan bakar pengganti. Penggunaan gas alam sebagai bahan bakar boiler mempunyai keuntungan-keuntungan sebagai berikut : a. Pada umumnya boiler yang menggunakan bahan bakar gas akan lebih murah dibanding dengan boiler yang menggunakan bahan bakar lainnya. Hal ini


26

Tugas Akhir

disebabkan karena karena pembakaran gas alam tidak menghasilkan abu dan jelaga sehingga kecepatan gas asap melalui celah-celah pipa dapat diperbesar. b. Peralatan Peralatan pembakar pembakar untuk untuk gas alam jauh jauh lebih sederh sederhana ana dibanding dibandingkan kan dengan dengan peralatan peralatan pembakar pembakar dari dari bahan bakar bakar lainnya. lainnya. c. Pembakaran Pembakaran dengan dengan gas gas alam akan akan berlangsu berlangsung ng lebih sempur sempurna na dibandin dibanding g dengan dengan bahan bahan bakar bakar lainny lainnya. a. d. Biaya Biaya operas operasii dan biay biayaa perawa perawatan tan (operation and maintenance costc)untuk boiler yang menggunakan bahan bakar gas akan jauh lebih murah dibandingkan dengan boiler yang menggunakan bahan bakar bakar yang lain, hal ini dikare dikarenak nakan an : 

Harg Hargaa gas gas rata rata-r -rat ataa lebi lebih h mura murah h dib diban andi ding ng baha bahan n baka bakarr lain lain untu untuk k jumlah panas yang sama sama yang dibangkitkan. dibangkitkan.



Efisiensi boiler dapat lebih tinggi dengan akibat penggunaan bahan menjadi lebih hemat.

Tetapi disamping keuntungan-keuntungan tersebut penggunaan gas sebagai bahan bakar boiler mengandung keterbatasan-keterbatasan sebagai berikut : a. Lokasi Lokasi boler harus harus disekitar disekitar lokasi lokasi penamban penambangan gan gas gas atau dalam jangk jangkauan auan ekonomis transmisi pipa-pipa gas alam. b. Bila Bila termas termasuk uk dala dalam m jangk jangkaua auan n trans transmis misii pipapipa-pip pipaa akan akan tetapi tetapi suka sukarr mendapatkan air pengisian boiler yang baik kualitasnya, maka dalam hal ini perlu tambahan tambahan biaya biaya investasi investasi untuk pengelohan pengelohan ( processing ) air pengisian tersebut. c. Diperlukan Diperlukan invest investasi asi yang yang lebih besar besar untuk untuk perawatan perawatan pengatur pengaturan an dan instalasi keamanannya, mengingat gas alam jauh lebih berbahaya dibanding dengan bahan bakar lainnya. Heru Susanto 01303-005

27

Tugas Akhir

Gas alam di salurkan dari tempat penambangannya melalui jaringan pipa-pipa 2

transmisi dengan tekanan sekitar 60-70 kg/cm , yang di dekat instalasi boiler perlu di 2

bangun stasiun reduksi tekanan gas alam hingga 4 kg/cm absolut. 3

3

– 9.4 m udara per m gas Volume udara teoritis yang dibutuhkan sekitar 8,3 – 9.4 alam, sehingga dengan angka kelebihan udara m=1, maka gas asam yang terbentuk 3

hanya bertambah dengan 1 m dari jumlah kebutuhan udara teoritisnya. 0

0

Temperatur bunga api sangat tinngi, sekitar 1850 – 1900 C bila di dalam 0

0

lingkungan udara, dan bila lingkungan zat asam dapat mencapai 2700 – 2750 C. Adapun kecepatan pembakarannya maksimum =30 cm/detik. 3.1. 3.1.2 2

Baha Bahan n Baka Bakarr Cair Cair (Sol (Solar ar))

Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya diladang-ladang minyak, dan memompanya sampai ke atas permukaan bumi untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar. Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi maupun rumah tangga adalah fraksi minyak bumi. Minyak bumi adalah campuran berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa: parafin, naphtena, olefin, dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda dari yang lain dalam kandungan hidrogennya. Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan menghasilkan beberapa beberapa macam macam fraksi, seperti: bensin atau premium, premium, kerosen atau minyak tanah, minyak minyak solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak minyak petroleum mentah mengandung keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya perbandingannya berbeda. Perbedaan minyak mentah yang yang utama ialah: ialah:


28

Tugas Akhir

a. Yang bersifat Parafinis ( paraffinic base), ialah persenyawaan zat air arang

yang membentuk membentuk

rantai rantai

yang yang

panjang panjang atau sering sering

disebut disebut sebagai sebagai

persenyawaan alifatis, yang terdiri dari Alkan C nH2 n+2 atau Alkin CnH2 n. b. Yang bersifat Naphtenis ( naphtenic base), ialah persenyawaan zat air arang

yang berbentuk siklis, atau Aromat CnH2 n+6 atau Cyclan C nH2 n. Minyak bumi (crude oil) hanya digunakan sebagai minyak bakar langsung di dalam

mesin

boiler

bila

sedikit

sekali

mempunyai

kandungan-kandungan

persenyawaan zat air arang dengan titik atau temperatur mendidih yang rendah, sehingga tidak banyak manfaatnya untuk memisah-misahkannya. Keadaan yang demikian ini adalah keadaan yang khusus. Umumnya dari minyak bumi ( crude oil) dapat dipisah-pisahkan beberapa macam bahan bakar cair, antara lain berbagai jenis bensin,minyak tanah, kerosin, solar serta minyak berbagai jenis minyak bakar untuk boiler. boiler. Pemisahan- pemisahan menjadi beberapa bahan bakar tersebut dilakukan dengan jalan distilasi bertingkat melalui berbagai tingkatan temperatur. Minyak Minyak solar biasa biasa digunakan digunakan pada pada boiler, boiler, baik yang yang stasioner stasioner maupun maupun yang berger bergerak. ak. Dalam Dalam hal instal instalasi asiny nya, a, pemaka pemakaian ian minyak minyak solar solar dalam dalam boiler boiler akan akan lebih lebih murah murah diband dibanding ing batuba batubara. ra. Disamp Disamping ing itu, itu,

pema pemakai kaian an minyak minyak solar solar tidak tidak

menimbulkan menimbulkan masalah masalah abu. abu. Akan tetapi tetapi pada pada boiler tekanan tekanan tinggi tinggi dan suhu tinggi tinggi dapat menimbulkan korosi dan kerusakan pad a “superheater tube”. Pemakaian minyak minyak solar solar kecual kecualii dalam dalam boiler boiler antara antara lain : 

Tanur dalam industri baja, tanur tinggi dalam industri semen dan industri lain yang mempunyai kaitan dengan semen, serta berbagai dapur dalam industri petroleum dan industri kimia.


29

Tugas Akhir



Mesin diesel, kecuali pada mesin diesel kecepatan tinggi seperti pada truk dan lokomotif, pada mesin diesel kapal serta mesin diesel berkecepatan rendah untuk pembangkit tenaga listrik.



Turbin gas

3.2

PROSES PEMBAKARAN

3.2.1

Prinsip Pembakaran

Proses pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara bahan bakar dengan oksigen (O2) dari udara, disertai cahaya dan menghasilkan kalor. Hasil pembakaran yang utama adalah Karbondioksida (CO 2), uap air (H2O) dan disertai energi panas. Sedangkan hasil pembakaran yang lain adalah Karbonmonoksida (CO), abu (ash), NOx, atau SOx tergantung pada jenis bahan bakarnya. Dalam pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut: 

Karbon + oksigen = Karbon dioksida + panas



Hidrogen + oksigen = Uap air + panas



Sulfur + oksigen = Sulfur dioksida + panas

Beberapa hal yang terjadi pada proses pembakaran : a. Pembakaran dengan udara kurang Dikatakan campuran “rich” (kaya). Pembakaran ini menghasilkan api reduksi. Api reduksi ditandai oleh lidah api panjang, kadang-kadang sampai terlihat berasap. Keadaan ini juga disebut pembakaran tidak sempurna. Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang karena bahan bakar berlebih serta ada bahan bakar yang tak terbakar di samping terdapat hasil pembakaran seperti CO, CO 2, Uap air, dan N 2.


30

Tugas Akhir

b. Pembakaran dengan udara berlebih. Dikatakan campuran “lean” (kurus). Pembakaran ini menghasilkan api oksidasi. Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang karena udara berlebih serta hasil pembakaran seperti CO2, Uap air, O2 dan N2. c. Pembakaran dengan udara optimum Pada proses ini terjadi perpindahan panas yang maksimum dan panas yang hilang minimum serta terdapatnya hasil pembakaran seperti CO 2, Uap air, dan N2. Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan udara sekunder yaitu udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah burner , melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding dapur. Pada umumnya bahan bakar telah berubah menjadi uap ( combustible vapor ) sebelum terbakar. Untuk mempercepat terjadinya “combustible vapor” diperlukan proses pengabutan. Butiran-butiran kabut tersebut luas permukaannya menjadi sangat besar, hingga mempercepat penguapan. 3.2.2

Pembakaran Tiga T

Tujuan dari pembakaran yang baik adalah melepaskan seluruh panas yang terdapat dalam bahan bakar. Hal ini dilakukan dengan pengontrolan “tiga T” pembakaran yaitu : 1. Temperature, suhu yang cukup tinggi untuk menyalakan dan menjaga penyalaan bahan bakar, 2. Turbulence, Turbulensi atau pencampuran oksigen dan bahan bakar yang baik, dan 3. Time, Waktu yang cukup untuk pembakaran yang sempurna.


31

Tugas Akhir

Bahan bakar yang umum digunakan seperti gas alam dan propan biasanya terdiri dari karbon dan hidrogen. Uap air merupakan produk samping pembakaran hidrogen, yang dapat mengambil panas dari gas buang, yang mungkin dapat digunakan untuk transfer panas lebih lanjut. Gas alam mengandung lebih banyak hidrogen dan lebih sedikit karbon per kg daripada bahan bakar minyak, sehingga akan memproduksi lebih banyak uap air. Sebagai akibatnya, akan lebih banyak panas yang terbawa pada pembuangan saat membakar gas alam. Terlalu banyak, atau terlalu sedikit nya bahan bakar pada jumlah udara pembakaran tertentu, dapat mengakibatkan tidak terbakarnya bahan bakar dan terbentuknya karbon monoksida. Jumlah O2 tertentu diperlukan untuk pembakaran yang sempurna dengan tambahan sejumlah udara (udara berlebih) diperlukan untuk menjamin pembakaran yang sempurna. Walau demikian, terlalu banyak udara berlebih akan mengakibatkan kehilangan panas dan efisiensi. Tidak seluruh bahan bakar diubah menjadi panas dan diserap oleh peralatan pembangkit. Biasanya seluruh hidrogen dalam bahan bakar terbakar. Saat ini, hampir seluruh bahan bakar untuk boiler, karena dibatasi oleh standar polusi, sudah mengandung sedikit atau tanpa sulfur. Sehingga tantangan utama dalam efisiensi pembakaran adalah mengarah ke karbon yang tidak terbakar (dalam abu atau gas yang tidak terbakar sempurna), yang masih menghasilkan CO selain CO2.


32

Tugas Akhir

Gambar 3.1 Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak sempurna

3.2.3

Susunan Gas Asap

Apabila pembakaran berlangsung sempurna, maka susunan gas asap hanya terdiri dari: CO2, H2O, SO2, N2 dari udara dan O2 kelebihan. Pembakaran tidak sempurna, maka disamping gas-gas tersebut di atas, terjadi pula gas CO serta sisa bahan bakar yang tidak terbakar. Besarnya kadar gas CO2 dalam gas asap merupakan indikator sempurna atau tidak sempurnanya pembakaran. 3.2.4

Neraca Bahan Dan Neraca Kalor

Berat massa bahan yang masuk ruang pembakaran = berat massa bahan yang keluar.

Flow Chart 3.1 Neraca Bahan dan Neraca Kalor


33

Tugas Akhir

(a + b) = (c +d +e) a = berat bahan bakar kering + air (kelembaban). b = berat udara + uap air yang terkandung dalam udara. Air dalam d dan e = (air yang terkandung dalam bahan bakar) + (air dari kelembaban udara) + (air yang terbentuk dari reaksi pembakaran) 3.2.5

Proses Pembakaran Bahan Bakar 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 mengurai gas-gas hingga menghasilkan komponen-komponen dari gas air (CO dan H 2) bila kondisi Oksigen (O 2) mencukupinya. Hal ini dapat diikuti dengan mudah pada burner . Dengan penyetelan yang tepat pengaliran udara pembakar, maka gas yang keluar dari burner akan menarik sejumlah udara primer tertentu, yang cukup untuk penguraian gas-gas menjadi CO 2 dan H2 (yang biasa disebut gas air atau water gas). Penguraian gas-gas ini berlangsung di dalam kerucut bunga api yang paling dalam, pada temperature yang lebih rendah daripada temperatur bila pembakaran telah berlangsung sepenuhnya. Pembakaran dari gas air ( water gas) yang terbentuk, yang dilakukan oleh oksigen dari udara sekunder yang mengalir disekeliling bunga api akan berlangsung pada temperatur yang tinggi di lapisan yang tipis, yang tidak bercahaya dari bunga api dan 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 akan terganggu. Mulamula yang terurai terlebih dahulu adalah karbon yang berupa partikel-partikel kecil yang melayang-layang di dalam bunga api. Bila kemudian temperatur menjadi cukup Heru Susanto 01303-005

34

Tugas Akhir

0

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 CO 2. 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 akan mejadikan bunga api terlihat menyala. Bila temperatur di luar bunga api terlalu dingin atau aliran udara pembakar kurang cukup maka partikel-partikel karbon yang terurai tadi seluruhnya tidak terbakar sehingga masih berujud partikel-partikel karbon yang berupa jelaga ( soot ) yang melayang-layang di dalam bunga api. 3.2.6

Pembakaran Bahan Bakar Cair (solar)

Sebelum pembakaran berlansung maka telebih dahulu bahan bakar diuraikan menjadi gas-gas. Bahan bakar cair umumnya terdiri dari karbon (C), hidrogen (H) dan sulfur (S). Oksidasi karbon agak lambat dan lebih sulit bila di bandingkan dengan unsur hidrogen dan sulfur. Walaupun karbon mempunyai suhu pembakaran yang lebih 0

rendah (407 C) dari zat air, karbon adalah zat padat dengan temperatur tinggi dan pembakarannya relatif lambat. Sebagai konsekuensinya pada beberapa proses pembakaran yang teoritisi, ini akan diasumsikan bahwa kedua unsur sulfur dan hidrogen terbakar dengan sempurna sebelum karbon terbakar. Selanjutnya semua karbon teroksidasi menjadi karbonmonoksida (CO) sebelum setiap karbon berubah menjadi karbondioksida (CO 2). Reaksi kimianya adalah sebagai berikut : C

+

O2

----------- CO + QC.CO

Dalam reaksi ini 1 mol C (12,01 kg) bereaksi dengan 1 mol O 2(32 kg) menghasilkan 1 mol CO (44,01 kg). Heru Susanto 01303-005

35

Tugas Akhir

CO

+

O2

----------- CO2 + QC.CO2

Jadi 1 mol CO (44,01 kg) bereaksi dengan 1 mol O 2 (32 kg) menghasilkan 1 mol CO2(76,01 kg). Jadi dibutuhkan oksigen sebesar :

32 12,01



2,66 kg O2

Hidrogen mempunyai temperatur pembakaran yang tertinggi yaitu 582

0

C

tetapi selama dia berbentuk gas. Hidrogen beroksidasi menjadi air seperti diperlihatkan dalam persamaan reaksi kimia di bawah ini : 2H2

+

O2

---------- 2H2O + 2QH

2 mol H2 (4,032) bereaksi dengan 1 mol O 2 (32) menjadi 2 mol air (H 2O=36,032). Jadi dibutuhkan oksigen sebamyak :

32 4,032

 7,94 jadi 7,94 kg O2 /kg H2 0

Sulfur mempunyai tempeatur pembakaran dari 243 C, adalah yang terendah dari ketiga unsur yang dapat di bakar tersebut. Selama peristiwa oksidasi, dilepaskan energi seperti terlihat dalam persenyawaan kimia di bawah ini : S

+

O2

----------- SO2 + QS

Ini berarti 1 mol S (32,06) bersenyawa dengan 1 mol O 2 (32) memproduksi 1 mol sulfur dioksida (64,06kg). Jadi dibutuhkan oksigen sebesar :

3.2.7

32 32,06

 0,998 kg O2 /kg C.

Operasi Pembakaran

Kalor pembakaran yang diperoleh dari reaksi bahan bakar dengan udara, dipergunakan untuk: 

Menaikkan suhu bahan bakar yang dibakar dalam dapur.



Menaikkan suhu campuran bahan bakar dan udara.



Sebagian besar yang lain terbuang sebagai:


36

Tugas Akhir



radiasi ke sekeliling,



terbawa keluar cerobong dalam gas asap,



konduksi dan konveksi ke peralatan dapur.

Temperatur dapur akan maksimum bila kehilangan-kehilangan di atas minimum. Pada pengoperasian burner memperhatikan kecepatan nyala: 

Pada nyala yang stabil, kecepatan nyala sama dengan kecepatan campuran bahan bakar dan udara yang keluar dari burner .



Bila kecepatan nyala lebih besar akan terjadi “flash back”.



Bila kecepatan nyala lebih kecil akan terjadi “blow off”.

Beberapa faktor yang mempengaruhi kecepatan nyala: 

tekanan campuran bahan bakar dan udara,



suhu pembakaran,



perbandingan udara primer dan bahan bakar,



efek pendinginan dari lingkungan.

Kecepatan nyala ini tidak dapat diperhitungkan lebih dahulu, kecuali pada keadaan yang sangat tertentu saja. Untuk memperoleh efisiensi yang tinggi dalam pengoperasian dapur, perlu alat-alat kontrol sebagai berikut: 

Kontrol Suhu Bahan bakar yang masuk ke dalam dapur banyaknya dikontrol oleh temperatur dalam dapur, antara lain pirometer radiasi dan temperatur atap dapur. Bila dibaca terlalu tinggi, maka jumlah bahan bakar harus dikurangi dan seterusnya.


37

Tugas Akhir



Kontrol Pembakaran Pengaturan bahan bakar/udara digunakan flow meter yang disambungkan dengan mekanisme servo pada katup kontrol otomatis.



Kontrol Aliran Menjaga kesetimbangan aliran pemasukan udara/bahan bakar dan pengeluaran gas asap.

3.3 3.3.1

PERHITUNGAN STOKIOMETRI KEBUTUHAN UDARA Perhitungan Stokiometri Udara Yang Dibutuhkan Untuk Pembakaran

Untuk pembakaran diperlukan udara. Jumlah udara yang diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan metode yang diberikan dibawah ini. Langkah pertama adalah menentukan komposisi minyak bakar. Spesifikasi bahan bakar diberikan dibawah ini: Tabel 3.2 Spesifikasi Analisis Bahan Bakar

(Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org) Bahan Bakar Solar,

Batubara,

Gas Alam,

% Berat

% Berat

% Berat

85,9

58,96

74

Hidrogen

12

4,16

25

Sulfur

0,5

0,56

-

Oksigen

0,7

11,88

0,25

Nitrogen

0,5

1,02

0,75

Abu

0,05

13,99

-

Air

0,35

9,43

-

Karbon

Analisis ultimate diatas menentukan berbagai macam kandungan kimia unsurunsur seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara yang diperlukan untuk pembakaran. Kandungan hidrogen


38

Tugas Akhir

pada gas alam yang lebih besar daripada solar membuat gas alam lebih cepat terbakar daripada solar. Kadar sulfur yang terkandung dalam solar mempengaruhi kecenderungan terjadinya penggumpalan dan penyumbatan, mengakibatkan korosi pada cerobong dan peralatan lain seperti pemanas udara dan economizers dan membatasi suhu gas buang yang keluar. Kadar air yang terkandung dalam solar dapat menurunkan kandungan panas dari bahan bakar, dan meningkatkan kehilangan panas karena penguapan dan pemanasan berlebih dari uap mengakibatkan pengurangan efisiensi boiler, penambahan biaya perawatan boiler Dari data analisis dengan jumlah sampel minyak bakar 100 kg, maka reaksi kimianya adalah sebagai berikut: Unsur

Berat Molekul (kg / kg mol)

C

12

O2

32

H2

2

S

32

N2

28

CO2

44

SO2

64

H2O

18

Unsur Bahan Bakar : 

C

+

12 O2 =

32 12

O2



CO2

32



44

= 2,67 kg O 2

(85,9) C +


(85,9 x 2,67) O 2 

315,25 CO2

39

Tugas Akhir



(74) C

+

2H2

+

O2



2H2O

4

+

32



36

O2 =



32 4

= 8 kg O 2 +

(12 x 8) O2



108 H2O

(25) H2

+

(25 x 8) O2



225 H2O

S

+

O2



SO2

32

+

32



64



1,0 SO2

32 32

= 1 kg O2

(0,5) S



 CO2

(12) H2

O2 =



(74 x 2,67) O2 

+

(0,5 x 1) O2

Oksigen total yang dibutuhkan W02 = 325,85 kg

solar

W02 = 397,58 kg

gas

Oksigen yang sudah ada dalam 100 kg bahan bakar (ditentukan) = 0,7 kg = 0,25 kg



Oksigen tambahan yang diperlukan = 325,85 – 0,7 = 325,15 kg

solar

=397,58 – 0,25 = 397,33 kg

gas


40

Tugas Akhir





Jadi, jumlah udara kering yang diperlukan (udara mengandng 23% berat oksigen) = (325,15) / 0,23 = 1413,69 kg udara

solar

= (397,33)/0,23 = 1727,52 kg udara

gas

Udara teoritis yang diperlukan = (1413,69) / 100 = 14,13 kg udara / kg bahan bakar

solar

= (1727,52)/ 100 = 17,27 kg udara/kg bahan bakar

gas

3.3.2

Menghitung Persen Kelebihan Udara Yang Di Pasok (EA)

(Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org) =

=

persen O 2 x 100

21  persen O 2 7 x 100 21  7

= 50 % 3.3.3

Menghitung Massa Udara Sebenarnya Yang Di Pasok (ASS)

(Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org) Solar = {1 + EA/100} x udara teoritis = { 1 + 50/100} x 14,13 = 7,2 kg udara/kg bahan bakar Gas = {1 + EA/100} x udara teoritis = { 1 + 50/100} x 17,27 = 8,8 kg udara/kg bahan bakar


41

Tugas Akhir

3.3 3.3.1

PERHITUNGAN STOKIOMETRI KEBUTUHAN UDARA Perhitungan Stokiometri Udara Yang Dibutuhkan Untuk Pembakaran

Untuk pembakaran diperlukan udara. Jumlah udara yang diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan metode yang diberikan dibawah ini. Langkah pertama adalah menentukan komposisi minyak bakar. Spesifikasi bahan bakar diberikan dibawah ini: Tabel 3.2 Spesifikasi Analisis Bahan Bakar

(Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org) Bahan Bakar Solar,

Batubara,

Gas Alam,

% Berat

% Berat

% Berat

85,9

58,96

74

Hidrogen

12

4,16

25

Sulfur

0,5

0,56

-

Oksigen

0,7

11,88

0,25

Nitrogen

0,5

1,02

0,75

Abu

0,05

13,99

-

Air

0,35

9,43

-

Karbon

Analisis ultimate diatas menentukan berbagai macam kandungan kimia unsurunsur seperti karbon, hidrogen, oksigen, sulfur, dll. Analisis ini berguna dalam penentuan jumlah udara yang diperlukan untuk pembakaran. Karbon bertindak sebagai pembangkit utama panas selama pembakaran. Hidrogen termasuk bahan yang mudah menguap, kandungan hidrogen yang tinggi menunjukkann mudahnya penyalaan bahan bakar. Kadar sulfur yang terkandung dalam solar mempengaruhi kecenderungan terjadinya penggumpalan dan penyumbatan, mengakibatkan korosi pada cerobong dan peralatan lain seperti pemanas udara dan economizers dan membatasi suhu gas buang yang keluar. Kadar air yang terkandung dalam solar dapat


42

Tugas Akhir

menurunkan kandungan panas dari bahan bakar, dan meningkatkan kehilangan panas karena penguapan dan pemanasan berlebih dari uap mengakibatkan pengurangan efisiensi boiler, penambahan biaya perawatan boiler. Kadar abu merupakan kotoran yang tidak akan terbakar sehingga dapat mempengaruhi efisiensi, menyebabkan penggumpalan dan penyumbatan dan meningkatkan biaya handling


43

Tugas Akhir

BAB IV EFISIENSI KERJA BOILER

4.1

Spesifikasi Boiler di PT. X.

Spesifikasi Boiler yang digunakan oleh PT. X adalah Boiler jenis pipa api dengan kapasitas 1 ton / jam, uap yang dihasilkan oleh Boiler tersebut tidak dipanaskan lanjut atau hanya dalam kondisi uap jenuh. Seperti yang telah kita ketahui, bahwa boiler jenis ini adalah boiler kecil dan sederhana, boiler jenis ini mempunyai tekanan maksimum 18 kg/cm 2. Jadi boiler jenis ini tergolong boiler untuk tekanan rendah. PT. X memproduksi sepatu , karena produksi yang dihasilkan hanya sepatu saja sehingga temperatur yang dibutuhkan untuk proses pengepresan sol tapak bawah sepatu menggunakan temperatur rendah pada mesin Hot Press. Hal ini dimaksudkan untuk memadatkan bagian tapak sol yang sebelumnya masih belum begitu padat. Karena hanya untuk mengepress sol tapak sepatu saja maka tidak dibutuhkan temperatur yang tinggi, sebab bila temperatur tinggi dapat merusak lapisan karet

–

karet sol sepatu tersebut.


42

Tugas Akhir

Uap yang dihasilkan oleh Boiler tidak digunakan untuk menggerakkan sesuatu seperti turbin, tetapi uap yang dihasilkan oleh Boiler langsung digunakan atau didistribusikan kedalam mesin Hot Press yaitu untuk pengepressan sol tapak sepatu serta untuk keperluan memasak kantin

Kondisi Operasi Ketel Uap ( Boiler ) pada PT. X

No 1

Uraian

Keterangan

Merk………………………

2

Jenis Pipa

Pipa Api

3

Kapasitas uap operasi

1 ton / jam

4

Macam bahan bakar

Solar dan Gas

5

Temperatur air didalam Boiler

80 0 C

6

Temperatur uap keluar

120 0 C

7

Tekanan air masuk

7,65 kg/cm 2

8

Tekanan uap keluar

7,14 kg/cm 2

9

Tekanan air pompa

5,1 kg/cm 2

10

Debit air

5 m3 /jam

11

Mulai Operasi

2002

12

Operasi

24 jam / hari

Data diterima dari PT. X


43

Tugas Akhir



Data-data Bahan bakar : 1.Solar

2.





Spesifik grafity, ( SG) = 0,92



Debit solar, ( Qsolar ) = 0,42 m3 /jam



Nilai pembakaran bawah bahan bakar, ( NKB) = 10000 kkal/kg

Gas 

Debit gas (Qgas) =0,612 m 3 /jam



Nilai kalor netto, ( NCV) = 9350 kkal/kg



Spesifik Grafity, ( SG) = 0,6

Air masuk ke boiler dengan tekanan, P1=Pin = 7,65 kg/cm2 = 0,75 MPa



Tekanan uap keluar dari boiler, P2 =Pout = 7,14 kg/cm2 = 0,7 MPa



Debit air yang masuk ke dalam boiler, Qair = 5 m3 /jam



Kapasitas produksi boiler 1 Ton uap/jam S = 1000 kg uap/jam



Temperatur air masuk untuk boiler, 80 0 C=273 + 80 = 353 K



Kondisi sifat-sifat air pada temperatur 80 0C melalui proses interpolasi didapatkan data sebagai berikut : 1. Massa jenis air (  air 80

0

C

) = 974,08 kg/m3

2. Kapasitas panas pada tekanan konstan ( Cp) = 4,1964 x 103 J/kg.K 3. Volume spesifik air (Va = Vf ) = 1,029 x 10-3 m3 /kg 4. Entalpi spesifik air (ha = hf ) = 334,9 kJ/ kg 5. Tekanan air, ( Pair masuk pompa) = 0,5 MPa 

Air keluar dari boiler dengan kondisi uap jenuh pada tekanan P2 = 0,7 Mpa Kondisi air pada tekanan P2 maka berdasarkan tabel tekanan didapatkan data sebagai berikut :


44

Tugas Akhir

h2 = 2067,1 kJ/ kg T 2 = 273 + 120 = 393 K

4.2 

Pengolahan Data Banyaknya panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler

Air masuk ke boiler dengan kondisi, P1= 0,75 Mpa, T1 = 353 K h1 = h f + V f (P1-Pa)

= 334,9 kJ/ kg + 1,029 x 10-3 m3 /kg (0,75-0,5).103 kPa = 335,1 kJ/kg Air keluar dari boiler dengan kondisi uap jenuh pada tekanan P2 = 0,7 MPa Kondisi air pada tekanan P2 maka berdasarkan tabel tekanan didapatkan data sebagai berikut : h2 = 2 kJ/ kg T 2 = 273 + 120 = 393 K

Q

in



S  h 2



h1 

Qin =1000 kg uap/jam (2067,1- 335,1) kJ/kg

2427850 kJ / jam 



1000 x 3600



0,67 MW

Jumlah Pemakain Bahan Bakar, ( Be)

Solar Be 

Be 

Qin NKB

2427850 kJ / jam 10000 kkal / kg x 4,187 J / kal

= 57,98 kg bahan bakar/jam


45

Tugas Akhir

Gas Be

Be 



Qin NKB


= 62,01 kg bahan bakar/jam 

Perbandingan Jumlah Uap Yang Dihasilkan Terhadap Pemakaian Bahan Bakar ( E)

Solar E 

S Be

1000 kg uap / jam

E 

57,98 kg bahan bakar / jam

= 17,24 kg uap/bahan bakar Gas E 

S Be

E 

1000 kg uap / jam 62,01 kg bahan bakar / jam

= 16,12 kg uap/bahan bakar 

Perhitungan Panas Yang Dihasilkan Boiler m

m





a ir

80

0

974 , 08

C

x Q

a ir

kg / m



3600

3

x 5 m 3 / ja m dtk

=1,35 kg/detik


46

Tugas Akhir

Q

boiler



m h2



h1



Qboiler 1,35 kg / dtk (2762,95 335,1) kJ / kg 



= 3277,5 kW 

Perhitungan Panas Yang Dihasilkan Bahan Bakar

Solar Data-data : - Spesifik grafity (SG) = 0,92 - Debit solat (Qsolar) = 0,42 m3 /jam - Nilai kalor bawah ( NKB) = 10000 kkal/kg - Berat jenis air (Pair ) pada konisi ruang 27 0C + 273 = 300 K, P = 1 atm = 1000 kg/m 3 m = psolar x Qsolar m =(pair x SG) Qsolar

= (1000 kg/m 3 x 0,92) 0,42 x

1

ja m

3600

d tk

= 0,107 Kg/dtk NKB = 10000 kkal/kg x 4,187 J/kal = 41870 kJ/kg Qbahan bakar = m x NKB

= 0,107 kg/dtk x 41870 kJ/kg = 4480,09 kW Gas Data-data : - Spesifik grafity (SG) = 0,6


47

Tugas Akhir

- Debit gas (Qgas) = 0,612 m3 /jam - Nilai kalor netto ( NCV ) = 9350 kkal/kg - Berat jenis air (Pair ) pada konisi ruang 27 0C + 273 = 300 K, P = 1 atm = 1000 kg/m

3

m = psolar x Qsolar m =(pair x SG) Qsolar

= (1000 kg/m 3 x 0,6) 0,612 x

1 3600

ja m d tk

= 0,102 Kg/dtk NKB = 9350 kkal/kg x 4,187 J/kal = 39148,45 kJ/kg Qbahan bakar = m x NKB

= 0,102 kg/dtk x 39148,45 kJ/kg = 3993,14 kW 

Efesiensi Boiler

Solar

 Boiler





Q Boiler Q Bahan



x100 %

bakar

3277,5 x100% 4480,09

= 73,15 % Gas

 Boiler



Q Boiler Q Bahan




x 100%

bakar

48

Tugas Akhir



3277,5 x 100% 3993,14

= 82,07 %

Berdasarkan perhitungan yang telah didapat, didapatkan efesiensi daripada mesin boiler yaitu sebesar 73,15 % dengan pemakain bahan bakar solar sebesar 57,98 kg bahan bakar/jam sedangkan dengan pemakaian bahan bakar gas sebesar 62,01 kg bahan bakar/jam didapatkan efesiensi mesin boiler sebesar 82,07%. Berikut ini penulis mencoba untuk membuat analisa perbandingan kinerja mesin boiler jika kondisinya sama dengan data yang di dapat tetapi penulis hanya membedakan pada tekanan yang masuk dan yang keluar menjadi ( P1=P2=0,8 MPa). Kondisi ini dsesuaikan dengan bagian produksi atas seijin departemen enginering, untuk memenuhi kebutuhan uap pada bagian produksi.

4.3

Perbandingan Data

Data-data : Air masuk ke boiler dengan tekanan, P1 = Pin = 81,6 kg/cm2 = 0,80 MPa Dan tekanan uap keluar dari boiler, P2 = Pout = 81,4 kg/cm2 = 0,80 MPa Debit air yang masuk ke dalam boiler, Qair = 5 m3 /jam Kapasitas produksi 1 Ton/jam Temperatur air masuk, 80 0 C=273 + 80 = 353 K

Kondisi sifat-sifat air pada temperature 80

0

C, sebagai berikut :

1. Massa jenis air (  air 80 0 C ) = 974,08 kg/m3 2. Kapasitas panas pada tekanan konstan ( Cp) = 4,1964 x 10 3 J/kg.K Heru Susanto 01303-005

49

Tugas Akhir

3. Volume spesifik air (Va = Vf ) = 1,029 x 10-3 m3 /kg 4. Entalpi spesifik air ( ha = hf ) = 334,9 kJ/ kg 5. Tekanan air, ( Pair masuk pompa) = 0,5 MPa 

Banyaknya panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler

Air masuk ke boiler dengan kondisi, P1= 0,80 Mpa, T1 = 353 K h1 = h f + V f (P1-Pa)

= 334,9 kJ/ kg + 1,029 x 10-3 m3 /kg (0,80-0,5).103 kPa = 335,2 kJ/kg Air keluar dari boiler dengan kondisi uap jenuh pada tekanan P2 = 0,80 MPa Kondisi air pada tekanan P2 maka berdasarkan tabel tekanan didapatkan data sebagai berikut : h2 = 2769,1 kJ/ kg T2 = 273 + 120 = 393 K

Q

in



S  h 2



h1 

Qin =1000 kg uap/jam (2769,1- 336,2) kJ/kg

2433900 kJ / jam 



1000 x 3600



0,676 MW

Jumlah Pemakain Bahan Bakar, ( Be)

Solar Be



Be



Qin NKB


= 58,12 kg bahan bakar/jam


50

Tugas Akhir

Gas Be



Be



Qin NKB


= 62,17 kg bahan bakar/jam 

Perbandingan Jumlah Uap Yang Dihasilkan Terhadap Pemakaian Bahan Bakar ( E)

Solar E 

S Be

1000 kg uap / jam

E 

58,12 kg bahan bakar / jam

= 17,2 kg uap/bahan bakar Gas E 

S Be

E 

1000 kg uap / jam 62,17 kg bahan bakar / jam

= 16,08 kg uap/bahan bakar 

Perhitungan Panas Yang Dihasilkan Boiler m



m





a ir

9 74

80

0

, 08

C

x Q

a ir

3

/ m

kg

3600

x

5

m

3

/ ja m

d tk

= 1,35 kg/detik

Q

boiler



m h2




h1

 51

Tugas Akhir

Qboiler 1,35 kg / dtk (2769,1 335,2) kJ / kg 



= 3285,765 kW 

Perhitungan Panas Yang Dihasilkan Bahan Bakar

Solar Data-data : - Spesifik grafity (SG) = 0,92 - Debit solat (Qsolar) = 0,42 m3 /jam - Nilai pembakaran bawah bahan baker ( NKB) = 10000 kkal/kg - Berat jenis air (Pair ) pada konisi ruang 27 0C + 273 = 300 K, P = 1 atm = 1000 kg/m 3 m = psolar x Qsolar m =(pair x SG) Qsolar

= (1000 kg/m 3 x 0,92) 0,42 x

1

ja m

3600

d tk

= 0,107 Kg/dtk NKB = 10000 kkal/kg x 4,187 J/kal = 41870 kJ/kg

Qbahan bakar = m x NKB

= 0,107 kg/dtk x 41870 kJ/kg = 4480,09 kW Gas Data-data : - Spesifik grafity (SG) = 0,6 - Debit solat (Qsolar) = 0,612 m3 /jam Heru Susanto 01303-005

52

Tugas Akhir

- Nilai pembakaran bawah bahan bakar ( NKB) = 9350 kkal/kg - Berat jenis air (Pair ) pada konisi ruang 27 0C + 273 = 300 K, P = 1 atm = 1000 kg/m

3

m = psolar x Qsolar m =(pair x SG) Qsolar

= (1000 kg/m 3 x 0,6) 0,612 x

1 3600

ja m d tk

= 0,102 kg/dtk NKB = 9350 kkal/kg x 4,187 J/kal = 39148,45 kJ/kg Qbahan bakar = m x NKB

= 0,102 kg/dtk x 39148,45 kJ/kg = 3993,14 kW 

Efesiensi Boiler

Solar

 Boiler



Q Boiler Q Bahan

3285 



bakar

, 76 5

4480

x100 %

x 1 0 0

,09

%

= 73,34 % Gas

 Bo ile r



Q Bo ile r Q Ba ha n 3285



3993



x 100 %

bakar

, 76 5 , 14

x 10 0 %

= 82,28 %


53

Tugas Akhir

Kemudian dengan menggunakan cara perhitungan yang sama penulis menambah beberapa parameter untuk melakukan perhitungan terhadap P 1 = 0,8 MPa dan P2 = 1,2 MPa, P 1 = 0,8 MPa dan P 2 = 1,6 MPa, P 1 = 0,8 MPa dan P 2 = 2 MPa, P1 = 0,8 MPa dan P 2 = 3 MPa, P1 = 0,8 MPa dan P 2 = 4 Mpa ssehingga didapatkan hasil seperti yang terlihat pada Tabel 4.1 Hasil Perhitungan di halaman selanjutnya.


54

Tugas Akhir


55

Tugas Akhir

Grafik 4.1 Jumlah Pemakaian Bahan Bakar Terhadap Efisiensi Kerja

Grafik Be Terhadap n% 84 83 82

% 81 n ( 80 a j r 79 e K 78 i s 77 n e 76 i s i f 75 E

Solar Gas

74 73 72 57

58

59

60

61

62

63

64

Pemakaian Bahan Bakar (Be)

Grafik 4.2 Panas Yang Dihasilkan Boiler Terhadap Efisiensi Kerja

Grafik Qboiler Terhadap n% 84 83 82

) %81 n ( 80 a j r 79 e K 78 i s 77 n e 76 i s i f 75 E

Solar Gas

74 73 72 3260

3280

3300

3320

3340

Panas Yang Dihasilkan Boiler (Qb)


56

Tugas Akhir

Grafik 4.3 Pemakaian Bahan Bakar Terhadap Panas Yang Dihasilkan Boiler

Grafik B e Te rhadap Qboiler 3340

( r e l i o B n a k l i s a h i D g n a Y s a n a P

3335 3330 3325 3320 3315 3310

Solar

3305 G as

3300 3295 3290 3285 3280 3275 3270 57

58

59

60

61

62

63

64

Pemakaian Bahan Bakar (Be)

4.4

Analisa Data

Dari hasil perhitungan yang telah di dapat bahwa kinerja boiler pada kondisi Pin = 0,75 MPa, Pout = 0,7 MPa dan kondisi yang lain dengan temperatur air pengisian

boiler 353 K dengan menggunakan bahan bakar solar menunjukkan hasil yang kurang maksimal, hal ini dapat dilihat dari hasil perhitungan, dimana efisiensi boilernya hanya berkisar dari 73,15 % sampai dengan 74,39 %. Berbeda dengan kinerja boiler yang menggunakan bahan bakar gas dimana efisiensinya mencapai 82,07 % sampai dengan 83,46 % hal ini dapat dikarenakan oleh beberapa faktor salah satunya karena unsur-unsur kimia bahan bakar tersebut, dimana bahan bakar solar masih mengandung sulfur yang merupakan faktor terjadinya jelaga (kotoran yang menempel) sehingga rentan terhadap kerusakan akibat sisa-sisa pembakaran yang


57

Tugas Akhir

menempel pada pipa, dan proses pembakaran yang terjadi pada gas lebih cepat dan lebih sempurna dibandingkan dengan pembakaran yang terjadi pada solar. Gas mengandung lebih banyak hidrogen dan lebih sedikit karbon per kg daripada bahan bakar solar sehingga akan memproduksi lebih banyak uap air. Sebagai akibatnya akan lebih banyak panas yang terbawa pada pembuangan saat membakar gas alam. Hal ini dapat dilihat dari hasil perhitungan dimana perbandingan uap yang dihasilkan bakar solar sebesar 17,24 kg uap/bahan bakar, sedangkan bahan bakar gas adalah 16,12 kg uap/bahan bakar. Kemudian dengan menggunakan bahan bakar solar mempunyai nilai efisiensi lebih rendah tetapi pemakaian bahan bakarnya juga rendah sedangkan dengan pemakaian bahan bakar gas mempunyai nilai efisiensi lebih tinggi tetapi pemakaian bahan bakarnya juga lebih tinggi daripada solar. Akan tetapi dengan harga solar untuk industri yaitu diatas US$ 100 per barel atau sekitar Rp.6.607 per liter biaya yang dikeluarkanpun lebih besar karena selisih pemakaian bahan bakar solar dan gas hanya terpaut sedikit yaitu rata-rata 5 kg /jam sedangkan harga gas untuk industri yaitu berkisar US$ 5,48 mmBTU atau setara dengan Rp.1600 harga solar. Kemudian dengan meningkatnya konsumsi bahan bakar maka panas yang dihasilkan oleh boiler semakin tinggi dan juga efisiensi kerja mesin boiler tersebut juga semakin tinggi. Kondisi temperatur air masuk sangat berpengaruh terhadap pemakaian bahan bakar dan kerja boiler, dengan kondisi temperatur air masuk yang tinggi maka waktu pemakaian bahan bakar akan menjadi hemat dengan catatan kulitas air pengisian untuk boiler harus benar-benar baik dan kondisi dapur bekerja dengan baik pula.


58

Tugas Akhir

BAB V PENUTUP

5.1

Kesimpulan

Berdasarkan hasil perhitungan dapat disimpulkan bahwa dengan penggunaan bakar gas mempunyai nilai efisiensi yang lebih tinggi yaitu rata-rata 9,01 % daripada bahan bakar solar, sehingga kinerja mesin boiler berbahan bakar gas lebih baik daripada mesin boiler berbahan bakar solar. Selain itu dengan penggunaan economiser pada

mesin boiler tersebut dapat meningkatkan efisiensi kerja mesin, hal

ini dikarenakan pemanfaatan panas gas buang untuk memanaskan terlebih dahulu suhu air masuk sehingga proses pembentukan uap panas akan lebih cepat, serta pada proses pembakaran pun agar di set dengan baik sehingga kebutuhan udara yang diperlukan untuk pembakaran benar-benar terpenuhi sehingga tidak terjadi pembakaran yang tidak sempurna. Pada penggunaan bahan bakar solar resiko terjadinya pembentukan kerak dan jelaga sangat besar dikarenakan solar mempunyai unsur sulfur yang lebih banyak daripada gas yaitu sebesar 3 %, sehingga harus sering dilakukan perawatan minimal 1 minggu sekali sedangkan dengan penggunaan bahan bakar gas resikonya lebih kecil Heru Susanto 01303-005

59

Tugas Akhir

sehingga perawatannya cukup 2 minggu sekali. Hal ini dikarenakan Bila suhu gas 0

meningkat ke sekitar 20 C diatas suhu boiler yang baru dibersihkan, maka waktunya untuk membuang endapan jelaga. Akan tetapi untuk lebih meningkatkan efisiensi mesin tersebut perawatan yang harus dilakukan pada komponen-komponen mesin tersebut harus benar-benar baik, dan juga harus dilakukan pengontrolan yang rutin pada saat mesin sedang bekerja minimal 1 jam. Jadi perubahan pemakaian bahan bakar dari bahan bakar solar ke bahan bakar gas dapat disimpulkan merupakan salah satu cara dalam meningkatkan efisiensi kerja mesin boiler tersebut, disamping masalah biaya operasional yang dikeluarkan yakni tingginya harga bahan bakar minyak saat ini untuk kalangan industri 5.2

Saran

Penulis menyarankan agar untuk lebih meningkatkan lagi efisiensi kerja mesin boiler tersebut adalah dengan melakukan pengolahan air umpan boiler, karena memproduksi uap panas yang berkualitas salah satunya tergantung pada pengolahan air yang benar untuk mengendalikan kemurnian uap panas, endapan dan korosi walaupun akan ada biaya lebih. Dan juga harus dilakukan pengontrolan dan perawatan yang rutin terhadap komponen-komponen mesin boiler tersebut terutama pada komponen yang terkait dalam meningkatkan efisiensi kerja mesin.


60

Files 733173778849

Recommend Documents