BAB I PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Ketel uap ( Boiler) Ketel uap adalah sebuah alat untuk menghasilkan uap, dimana terdiri dari dua bagian yang penting yaitu: dapur pemanasan, dimana yang menghasilkan panas yang didapat dari pembakaran bahan bakar dan boiler proper, sebuah alat yang mengubah air menjadi uap. Berbagai perusahaan, alat transportasi, dan pembangkit tenaga listrik saat ini banyak yangmemakai turbin uap sebagai mesin penggerak utama ( prime mover engine), baik sebagai pembangkit tenaga untuk menghasilkan listrik, maupun sebagai mesin penggerak mesin-mesin yang lainnya. Mulai dari daya yang kecil sampai daya yang besar,menggunakan turbin uap sebagai penggerak utama. Karena itu, banyak perusahaan, alat transportasi, dan pembangkit tenaga listrik yang memanfaatkan turbin uap sebagai penggerak utama.Keuntungan yang diperoleh dari turbin uap dibanding dengan penggerak utama yang lain ialah, pada umumnya turbin uap berjalan stabil karena tidak ada gerak bolak-balik atau translasi, pemakaian uap lebih rendah dibandingkan dengan pemakaian uap pada mesin uap, untuk daya yang sama ukuran turbin uaplebih kecil dibanding dengan mesin uap torak. Uap atau fluida panas kemudian disirkulasikan dari ketel untuk berbagai proses dalam aplikasi pemanasan. Ketel atau pembangkit uap adalah salah satu dari sekian banyak peralatan dalam siklus energi thermal yang bertujuan untuk merubah air menjadi uapyang berguna. Uap yang dihasilkan tersebut kemudian dapat membangkitkan tenaga mekanik atau mensuplai panas bagi keperluan industri ( manufacturing proses) Bentuk dari ketel uap secara garis besar merupakan suatu bejana tertutup, dimana kalor dari pembakaran bahan bakar dipindahkan ke air melalui ruang bakar dan bidang-bidang pemanas.
Energi dalam (intenal energi) dari air akan meningkat seiring dengan meningkatnya temperature dan tekanan. Dimana pada suatu tingkat keadaan tertentu air akan berobah menjadi uap (menguap) Sumber kalor untuk ketel dapat berupa bahan baker dalam bentuk padat, cair atau gas.Bahkan dewasa ini sumber kalor dengan menggunakan energi listrik atau nuklir banay dikembangkan. Cara kerja ketel uap Air umpan ketel dari tangki dipompakan ke economizer untuk dipanaskan awal sebelum masuk ketel uap Dari economiser air yang sudah hangat dialirkan ke ketel, selanjutnya dipanaskan sampai menghasilkan uap jenuh (saturated steam) Uap jenuh dari ketel dipanaskan lanjut di pemanas lanjut (superheater) dan menghasilkan uap panas lanjut (superheated steam) yang siap untuk digunakan, seperti menggerakkan turbin uap (steam turbine), untuk keperluan pemrosesan (merebus, memanaskan, dll.) Steam generation juga dilengkapi dengan peralatanperalatan keselamatan, seperti : pengukur level air di ketel, Pengukur tekanan di ketel dll.
1) 2) 3) 4)
2. Rumusan Masalah Apa yang dimaksud dengan ketel uap? Apa saja komponen dari ketel uap? Bagaimana prinsip kerja ketel uap? Apa saja jenis-jenis ketel uap? 3. Tujuan Penulisan 1)Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan ketel uap 2)Untuk mengetahui komponen-komponen dari ketel uap 3)Untuk mengetahui perinsip kerja ketel uap 4)Untuk mengetahui jenis-jenis ketel uap
BAB II PEMBAHASAN 1. Pengertian Ketel Uap
Ketel uap merupakan gabungan yang kompleks dari pipa-pipa penguapan (evaporator), pemanas lanjut (superheater), pemanas air (ekonomiser) dan pemanas udara (air heater). Pipa-pipa penguapan (evapurator) dan pemanas lanjut (superheater) mendapat kalor langsung dari proses pembakaran bahan bakar, sedangkan pemanas air (economiser) dan pemanas udara (air heater) mendapat kalor dari sisa gas hasil pembakaran sebelum dibuang ke atmosfer. Ketel uap adalah sebuah alat untuk menghasilkan uap, dimana terdiri dari dua bagian yang penting yaitu: dapur pemanasan, dimana yang menghasilkan panas yang didapat dari pembakaran bahan bakar dan boiler proper, sebuah alat yang mengubah air menjadi uap. Uap atau fluida panas kemudian disirkulasikan dari ketel untuk berbagai proses dalam aplikasi pemanasan. Uap yang dihasilkan bisa dimanfaatkan untuk: a. mesin pembakaran luar seperti: mesin uap dan turbin b. suplai tekanan rendah bagi kerja proses di industri seperti industri pemintalan, pabrik gula dan sebagainya c. menghasilkan air panas, dimana bisa digunakan untuk instalasi pemanas bertekanan rendah. 2. Komponen Ketel Uap Komponen sistem ketel uap terdiri dari komponen utama dan komponen bantu yang masing-masing memiliki fungsi untuk menyokong prinsip kerja ketel uap.
Keterangan: 1. Dearator
2. Bagasse distribution conveyor 3. Dapur (furnace) 4. Superheated steam valve 5. Air heather 6. Induced Draft Fan (I.D.F) 7. Cerobong asap (chimney) 8. Secondary fan Komponen utama ketel uap terdiri dari: a. Ruang Pembakaran (Furnace) Furnace adalah dapur sebagai penerima panas bahan bakar untuk pembakaran, yang terdapat fire gate di bagian bawah sebagai alas bahan bakar dan yang sekelilingnya adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada dinding tembok ruang pembakaran yang menerima panas dari bahan bakar secara radiasi, konduksi, dan konveksi. b. Drum Air dan Drum Uap Drum air terletak pada bagian bawah yang berisi dari tangki kondensat yang dipanaskan dalam daerator, disamping itu berfungsi sebagai tempat pengendapan kotoran-kotoran dalam air yang dikeluarkan melalui proses blowdown. Drum uap terletak pada bagian atas yang berisi uap yang kemudian disalurkan ke steam header. c. Pemanas Lanjut (Super Heater) Super heater adalah bagian-bagian ketel yang berfungsi sebagai pemanas uap, dari saturated steam (±250°C) menjadi super heated steam (±360°C). d. Air Heater
Air heater adalah alat pemanas udara penghembus bahan bakar. e. Dust Collector Dust collector adalah alat pengumpul abu atau penangkap abu pada sepanjang aliran gas pembakaran bahan bakar sampai kepada gas buang. f. Soot blower Soot blower adalah alat yang berfungsi sebagai pembersih jelaga atau abu yang menempel pada pipa-pipa. Sedangkan untuk komponen bantu dalam sistem ketel uap antara lain: a. Air pengisi ketel (boiler feed water) Air pengisi ketel didapatkan dari 2 sumber yaitu: air condensate, didapatkan dari hasil pengembunan uap bekas yang telah digunakan sebagai pemanas pada evaporator, juice heater dan vacuum pan. Air condensate ini ditampung dan kemudian dialirkan ke station boiler sebagai air umpan pengisi ketel dengan persyaratan Ph: 8,5, Iron (ppm) : 0,002, Oxygen (ppm) : 0,02 b. Dearator Merupakan pemanas air sebelum dipompa kedalam ketel sebagai air pengisian. Media pemanas adalah exhaust steam pada tekanan ± 1 kg/cm2 dengan suhu ± 150°C, sehingga didapatkan air pengisian ketel yang
bersuhu
antara
100°C-105°C.
Fungsi
utamanya
adalah
menghilangkan oksigen (O2) dan untuk menghindari terjadinya karat pada dinding ketel. c. High pressure feed water pump Berfungsi untuk melayani kebutuhan air pengisi ketel yang dijadikan uap, sampai dengan kapasitas ketel yang maksimum, sehingga ketel uap akan dapat bekerja dengan aman. Kapasitas pompa harus lebih tinggi dari kapasitas ketel, minimum 1,25 kali, tekanan pompa juga harus
lebih tinggi dari tekanan kerja ketel, agar dapat mensupply air kedalam ketel. d. Secondary Fan Merupakan alat bantu ketel yang berfungsi sebagai alat penghembus pembakaran bahan bakar yang kedua sebagai pembantu F.D.F. untuk mendapatkan pembakaran yang lebih sempurna lagi. e. Induced Draft Fan (I.D.F) Alat bantu ketel yang berfungsi sebagai penghisap gas asap sisa pembakaran bahan bakar, yang keluar dari ketel. f. Force Draft Fan (F.D.F) Merupakan alat bantu ketel yang berfungsi sebagai penghembus bahan bakar. g. Cerobong asap (Chimney) Berfungsi untuk membuang udara sisa pembakaran. Diameter cerobong berkisar berukuran 3 m dan tinggi cerobong 40 m, ini berbeda setiap industri. h. Ash Conveyor Merupakan alat pembawa atau pengangkut abu dari sisa-sisa pembakaran bahan bakar, baik yang dari rangka bakar (fire grate) ataupun juga dari alat-alat pengumpul abu (dust collector), untuk dibuang dan diteruskan ke kolam penampungan dan ini biasanya digunakan sebagai kompos diperkebunan tebu. 3. Prinsip Ketel Uap Boiler atau ketel uap adalah suatu perangkat mesin yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan memanaskan air yang berada didalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari
hasil pembakaran bahan bakar. Pembakaran dilakukan secara kontinyu didalam ruang bakar dengan mengalirkan bahan bakar dan udara dari luar. Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan. Boiler yang konstruksinya terdiri dari pipa-pipa berisi air disebut dengan water tube boiler. Pada unit pembangkit, boiler juga biasa disebut dengan steam generator (pembangkit uap) mengingat arti kata boiler hanya pendidih, sementara pada kenyataannya dari boiler dihasilkan uap superheat bertekanan tinggi. Siklus Air di Boiler Siklus air merupakan suatu mata rantai rangkaian siklus fluida kerja. Boiler mendapat pasokan fluida kerja air dan menghasilkan uap untuk dialirkan ke turbin. Air sebagai fluida kerja diisikan ke boiler menggunakan pompa air pengisi dengan melalui economiser dan ditampung didalamsteam drum. Economiser adalah alat yang merupakan pemanas air terakhir sebelum masuk ke drum. Di dalam economiser air menyerap panas gas buang yang keluar dari superheater sebelum dibuang ke atmosfir melalui cerobong.
Peralatan yang dilalui dalam siklus air adalah drum boiler, down comer, header bawah (bottom header), dan riser. Siklus air di steam drum adalah, air dari drum turun melalui pipa-pipadown comer ke header bawah (bottom header). Dari header bawah air didistribusikan ke pipa-pipa pemanas (riser) yang tersusun membentuk dinding ruang bakar boiler. Didalam riser air mengalami pemanasan dan naik ke drum kembali akibat perbedaan temperatur.
Perpindahan panas dari api (flue gas) ke air di dalam pipa-pipa boiler terjadi secara radiasi, konveksi dan konduksi. Akibat pemanasan selain temperatur naik hingga mendidih juga terjadi sirkulasi air secara alami, yakni dari drum turun melalui down comer ke header bawah dan naik kembali ke drum melalui pipapipa riser. Adanya sirkulasi ini sangat diperlukan agar terjadi pendinginan terhadap pipa-pipa pemanas dan mempercepat proses perpindahan panas. Kecepatan sirkulasi akan berpengaruh terhadap produksi uap dan kenaikan tekanan serta temperaturnya. Selain sirkulasi alami, juga dikenal sirkulasi paksa (forced circulation). Untuk sirkulasi jenis ini digunakan sebuah pompa sirkulasi (circulation pump). Umumnya pompa sirkulasi mempunyai laju sirkulasi sekitar 1,7, artinya jumlah air yang disirkulasikan 1,7 kali kapasitas penguapan. Beberapa keuntungan dari sistem sirkulasi paksa antara lain : a. Waktu start (pemanasan) lebih cepat b. Mempunyai respon yang lebih baik dalam mempertahankan aliran air ke pipa-pipa pemanas pada saat start maupun beban penuh. c. Mencegah kemungkinan terjadinya stagnasi pada sisi penguapan 4. Jenis-jenis Ketel Uap Klasifikasi ketel uap ada beberapa macam, untuk memilih ketel uap harus mengetahui klasifikasinya terlebih dahulu, sehingga dapat memilih dengan benar dan sesuai dengan kegunaannya di industri. Karena jika salah dalam pemilihan ketel uap akan menyababkan penggunaan tidak akan maksimal dan dapat menyebabkan masalah dikemudian harinya. Klasifikasi ketel uap : •Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa •Berdasarkan pemakaiannya •Berdasarkan letak dapur (furnace posisition ) •Berdasarkan jumlah lorong (boiler tube )
•Berdasarkan pada porosnya tutup drum (shell) •Berdasarkan bentuk dan letak pipa •Berdasarkan peredaran air ketel ( water circulation ) •Berdasarkan tekanan kerjanya •Berdasarkan kapasitasnya •Berdasarkan pada sumber panasnya (heat source ) a. Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa 1) Ketel Pipa api ( Fire tube boiler ) Pada ketel pipa api, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan ketel ada di dalam shell untuk dirubah menjadi steam. Ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bkar padat dalam operasinya. 2) Ketel pipa air ( water tube boiler ) Pada ketel pipa air, air diumpankan boiler melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakaran membentuk steam pad daerah uapdalam drum. Ketel ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus ketel untuk pembangkit tenaga. untuk ketel pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik ketel pipa air sebagai berikut:
Fored, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan
efisiensi pembakaran. Kurang toleran terhadap
pengolahan air. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
kualitas
air yang
dihasilkan
dari
plant
Gambar Ketel Pipa Air
Gambar Ketel Pipa Api
b. Berdasarkan pemakaiannya 1) Ketel stasioner ( stasionary boiler ) atau ketel tetap Ketel uap stasioner adalah ketel-ketel yang didudukan pada suatu pondasi yang tetap, seperti ketel untuk pembangkitan tenaga, untuk industri dll 2) ketel mobil ( mobile boiler ), ketel pndah / portable boiler Ketel mobil adalah ketel yang dipasang pada pondasi yang berpindahpindah (mobil ), seperti boiler lokomotif, loko mobile dan ketel panjang serta lain yan sepertinya termasuk ketel kapal ( marine boiler )
Gambar Ketel Stationer
Gambar Ketel Mobil
c. Berdasarkan letak dapur (furnace posisition ) 1) Ketel dengan pembakaran di dalam (internally fired steam boiler ) Dalam ketel uap ini dapur berada (pembakaran terjadi )di bagian dalam ketel . kebanyakan ketel pipa api memakai system ini. 2) Ketel dengan pembakaran di luar ( outernally fired steam boiler )
Dalam ketel uap ini dapur berada (pembakaran terjadi )di bagian dalam ketel . kebanyakan ketel pipa air memakai system ini
Gambar ketel dengan pembakaran di
Gambar ketel dengan pembakaran di
dalam
luar
d. Berdasarkan jumlah lorong (boiler tube) 1) Ketel dengan lorong tunggal (single tube steam boiler ) Pada single tube steam boiler, hanya terdapat 1 lorong saja, lorong api maupun lorong air. Cornish boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertikal boiler adalah single water tube boiler. 2) Multi fire tube boiler Multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan multi water tube boiler misalnya ketel B dan W dll
Gambar ketel dengan lorong tunggal
Gambar multi fire tube boiler e. Berdasarkan pada porosnya tutup drum (shell) 1) Ketel tegak ( vertikal steam boiler ) seperti ketel cocharn, ketel clarkson dll 2) Ketel mendatar ( horizontal steam boiler ) seperti ketel cornish, lancashire, scotch dll
Gambar ketel tegak
Gambar ketel mendatar f. Berdasarkan bentuk dan letak pipa
1) ketel dengan pipa lurus, bengok dan berllekak-lekuk ( stright, bent and sinous tubeler heating surface )
2) ketel dengan pipa miring datar dan miring tegak ( horizontal, inclined or vertical tubeler heating surface ) g. Berdasarkan peredaran air ketel ( water circulation ) 1) Ketel dengan peredaran alam ( natural circulation steam boiler ) Pada natural circulation boiler, peredaran air dalam ketel terjadi secara alami yaitu air yang ringan naik, sedangkan terjadilah aliran aliran conveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel lancashire, babcock & wilcox 2) Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler) Pada ketel dengan aliran paksa, aliran peksa diperoleh dari sebuah pompa centrifugal yang digerakkan dengan elektric motor misalnya la-mont boiler, benson boiler, loeffer boiler dan velcan boiler.
h. Bedasarkan tekanan kerjanya 1) tekanan kerja rendah : ≤5 atm 2) tekanan kerja sedang : 5-40 atm 3) tekanan kerja tinggi : 40-80 atm 4) tekanan kerja sangat tinggi : >80 atm i. Berdasarkan Kapasitasnya 1) kapasitas rendah : ≤2500 kg/jam
2) kapasitas sedang : 2500-50000 kg/jam 3) kapasitas tinggi : >50000 kg/jam j. Berdasarkan pada sumber panasnya (heat source ) 1) ketel uap dengan bahan bakar alami 2) ketel uap dengan bahan bakar buatan 3) ketel uap dengan dapur listrik 4) ketel uap dengan energi nuklir Keuntungan dan kerugian ketel pipa api: Keuntungan : 1. Menghasilkan uap dengan tekanan lebih tinggi daripada ketel pipa api 2. Untuk daya yang sama menempati ruang yang lebih kecil daripada ketel pipaapi 3. Laju aliran uap lebih rendah 4. Komponen – komponen yang berbeda bisa diurai sehingga mudah untuk dipindahkan 5. Permukaan pemanasan lebih efektif karena gas panas mengalir keatas pada arah tegak lurus 6. Pecah pada pipa tidak meniimbulkan kerusakan ke seluruh ketel Kerugian : 1. Air umpan mensyaratkan mempunyai kemurnian tinggi untuk mencegah endapan kerak di dalam pipa. Jika terbentuk kerak di dalam pipa bisa menimbulkan panas yang berlebihan dan pecah 2. Membutuhkan perhatian yang lebih hati – hati bagi penguapannya. Karena itu akan menimbulkan biaya operasi yang lebih tinggi 3. Pembersihan pipa air tidak mudah dilakukan Keuntungan dan kerugian ketel pipa air. Keuntungan : 1. 2. 3. 4.
Konstruksi ketel sederhana Biaya awal murah Baik untuk kapasitas uap yang besar Tidak bermasalah terhadap fluktuasi beban karena kapasitas uap cukup
besar dan jumlah air di dalam tangki banyak 5. Tidak memerlukan air pengisi yang begitu bersih Kerugian :
1. Membutuhkan waktu start yang cukup lama untuk mendapat kualitas uap yang diinginkan 2. Hanya dapat dipakai efisien untuk keperluan dengan kapasitas dan tekanan uap yang rendah Panas Laten. Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk merubah phasa ( wujud ) benda, tetapi temperaturnya tetap. Panas laten penguapan ( latent heat of vaporization ) adalah jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat ( cair ) pada titik didihnya sampai wujudnya berubah menjadi uap seluruhnya pada suhu yang sama.Panas laten pengembunan ( latent heat
of
condensation
)
adalah
jumlah
panas
yang
harus
dibuang/dikeluarkan oleh zat ( gas / uap ) pada titik embunnya, untuk mengubah wujud zat dari gas menjadi cair pada suhu yang sama. Panas laten pencairan / peleburan ( latent heat of fusion ) adalah jumlah panas yang harus ditambahkan kepada zat ( padat ) pada titik leburnya sampai wujudnya berubah menjadi cair semuanya pada suhu yang sama.Panas laten pembekuan ( latent heat of solidification ) adalah jumlah panas yang harus dibuang / dikeluarkan oleh zat (cair ) pada titik bekunya untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat pada suhu yang sama. .
Panas laten ( panas perubahan fase dengan suhu tetap) di bagi 4 : a. Panas peleburan ( dari fase padat menjadi cair). b. Panas sublimasi ( dari fase padat menjadi gas ). c. Panas kondensasi ( dari fase gas menjadi cair ). d. Panas penguapan (dari fase cair menjadi gas). Efisiensi Efisiensi boiler didefinisikan sebagai persen energi panas masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan. Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler: a. Metode langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (airdan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler
b. Metode tidak langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk Secara matematik efisiensi ketel dirumuskan sebagai berikut: kalor yang digunakan untuk menghasilkanuap kalor yang dihasilkandapur
η =
η =
We [ H−h1 ] C
Dimana: We = berat air yang sebenarnya menguap/ penguapan sebenarnya C
= nilai kalor bahan bakar dalam kcal/ kg bahan bakar
h1
= kalor sensibel/ nyata air umpan dalam kcal/ kg uap
H
= kalor total uap dalam kcal/ kg uap pada tekanan kerjanya
bersesuain
Jenis uap Berdasarkan proses pembentukan uap 1. Uap air. Uap yang terbentuk diatas permukaan air sebagai akibat dari penurunan tekanan di atas permukaan air sampai tekanan penguapan yang sesuai dengan temperatur permukaan air tersebut pada titik didih dan pada tekanan
di
bawah
tekanan
atmosfer
bumi.
Penurunan
tekanan
disebabkankarena adanya tekanan uap jenuh yang sesuai dengan temperatur permukaan air maka akan terjadi penguapan. 2. Uap panas. Uap yang terbentuk akibatmendidihnya air, aliran air menddidih bila tekanan dan temperatur udara pada kondisi didih.
Berdasarkan keadaannya : 1. Uap jenuh. Uap yang tidak mengandung bagian – bagian air yang lepas di mana pada tekanan tertentu belaku suhu tertentu. 2. Uap kering Uap yang di dapat dengan pemanasan lanjut dari uap jenuh, dimana pada tekanan terbentuk dan dapat diperoleh beberapa jenis uap kering dengan suhu berlainan. 3. Uap basah. Uap jenuh yang bercampur denganbagian – bagian air yang halus yang temperaturnya sama Usaha Besaran skalar yang didefinisikan sebagai perkalian antara besarnya perpindahan benda dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan tersebut. Dirumuskan sebagai berikut : W = F.s Dimana W
= besarnyausaha yang dilakukan
F
= force atau yang bekerja
S
= perpindahan
Entalpi Uap. Entalpi Uap Yaitu jumlah energi yang digunakan untuk menguapkan 1 mol zat cair menjadi gas pada titik uapnya, dan pada keadaan standar. Jika pengukuran tidak dilakukan pada keadaan standar, maka dinotasikan dengan DHvap. Dimana satuannya = kJ / mol. Contoh : H2O(l) → H2O(g) ΔH° = +44,05 kJ.
