Desain Dan Prinsip Kerja Boiler Pipa Air [PDF]

Citation preview

TUGAS MATA KULIAH UTILITAS I PAPER JURNAL DESAIN DAN PRINSIP KERJA BOILER PIPA AIR



Disusun Oleh : Nama Stambuk Kelas



: Nadirah : 09220190003 : C1 Teknik Kimia



JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MUSLIM INDONESIA MAKASSAR 2020



“DESAIN DAN PRINSIP KERJA BOILER PIPA AIR” (WATER TUBE)



Nadirah 09220190003 Teknik Kimia, Universitas Muslim Indonesia



Abstrak Boiler atau ketel uap merupakan suatu bejana tertutup yang terbuat dari baja. Boiler berfungsi untuk mentransfer panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar ke air yang menjadi uap atau steam yang berguna. Uap ini digunakan untuk proses-proses industri, penggerak, pemanas, dan lain-lain. Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air. Boiler pada dasarnya terdiri dari bumbungan (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Boiler dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis, yaitu: Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka boiler diklasifikasikan menjadi Boiler pipa api (fire tube boiler) dan Boiler pipa air (water tube boiler), namun kali ini akan dibahas lebih spesifik prinsip kerja dari boiler pipa air (water tube boiler).



Kata kunci: Ketel uap, Boiler, Watertube



PENDAHULUAN Boiler adalah bejana tertutup dimana panas



Dalam perancangan boiler ada beberapa faktor



dialirkan ke air melalui pipa sampai terbentuk



penting yang harus dipertimbangkan agar boiler



uap. Uap dikondisikan pada tekanan tertentu,



yang direncanakan dapat bekerja dengan baik



kemudian digunakan untuk mengalirkan panas



sesuai dengan yang kebutuhan. Faktor yang



kesuatu proses industri atau untuk pembangkit



mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai



tenaga melalui turbin uap. Boiler banyak



berikut : kapasitas yang digunakan, kondisi uap



digunakan pada industri kecil dan menegah



yang dibutuhkan, bahan bakar yang dibutuhkan,



sebagai



dan konstruksi yang sederhana



suatu



sistem



peralatan



proses



pengolahan, juga digunakan sebagai media pemanas pada industri kecil menegah ataupun



Uap Air (Steam)



industri besar seperti industri kimia dan untuk



Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan



berbagai keperluan lainnya.



fase gas dari air, bila mengalami pemanasan



sampai temperatur didih di bawah tekanan



menjadi energi potensial uap (energi panas).



tertentu. Uap air tidak berwarna, bahkan tidak



Boiler pada dasarnya terdiri dari bumbungan



terlihat bila dalam keadaan murni kering. Uap



(drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya,



air pertama sekali dipakai sebagai fluida kerja



dan dalam perkembangannya dilengkapi dalam



oleh James Watt yang terkenal sebagai penemu



pipa api maupun pipa air. Banyak orang



Mesin Uap Torak. Uap air tidak mengikuti



mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada



hukum-hukum gas sempurna, sampai dia benar-



sudut pandang masingmasing (Muin 1988 : 8).



benar kering (kadar uap 100%). Bila uap kering dipanaskan lebih lanjut maka dia menjadi uap adipanas (panas lanjut) dan selanjutnya dapat



Boiler pada dasarnya terdiri dari bumbungan (drum) yang tertutup pada ujung pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa



dianggap sebagai gas sempurna



api Boiler



maupun



pipa



air.



Banyak



orang



mengklasifikasikan ketel uap tergantung kepada sudut pandang masing-masing (Muin 1988 : 8).



Boiler



merupakan



mesin



kalor



(thermal



engineering) yang mentransfer energi-energi kimia atau energi otomis menjadi kerja / usaha (Muin : 28). Boiler atau ketel uap adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yang digunakan untuk menghasilkan steam. Steam diperoleh dengan memanaskan bejana yang berisi air dengan bahan bakar, (Yohana dan Askhabul 2009 : 13). Boiler mengubah energi-energi kimia menjadi



bentuk



energi



yang



lain



untuk



menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalor dari suatu sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar. Boiler berfungsi sebagai



pesawat



konversi



energi



yang



mengkonfersikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas. Boiler terdiri dari 2 komponen utama, yaitu : 1. Dapur sebagai



Boiler



diklasifikasikan



sebagai



berikut



:



Berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, maka boiler diklasifikasikan menjadi: a. Boiler pipa api (fire tube boiler) Boiler jenis ini pada bagian tubenya dialiri dengan gas pembakaran dan bagian lainnya yaitu sell dialiri air yang akan diuapkan. Tube-tubenya langsung didinginkan oleh air yang melindunginya. Jumlah pass dari boiler tergantung dari jumlah laluan horizontal dari gas pembakaran diantara furnace dan pipapipa api. Laluan gas pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama. Boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri



pengolahan



sampai



skala



mulai skala



menengah



kecil



(Raharjo dan



Karnowo 2008: 180).



alat untuk mengubah energi kimia menjadi



b. Boiler pipa air (water tube boiler) Boiler jenis ini banyak dipakai untuk



energi panas. 2. Alat penguap (evaporator) yang



kebutuhan uap skala besar. Prinsip kerja dari



mengubah energi pembakaran (energi panas)



boiler pipa air berkebalikan dengan pipa api,



gas pembakaran dari furnace dilewatkan ke pipa-pipa yang berisi air yang akan diuapkan



4. Cerobong/stack berfungsi sebagai saluran pembuangan gas asap dan menarik api.



(Raharjo dan Karnowo 2008: 180). Pada



5. Drum uap/steam drum, berfungsi sebagai



ketel pipa air seperti tampak pada Gambar



pengumpul uap, pemisah uap dan tempat



A, air umpan boiler menaglir melalui pipa-



pemasukan air.



pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakaran membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Ketel ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus ketel untuk pembangkit tenaga listrik.



Alat Tambahan Pada Boiler Pipa Air 1. Alat tambahan pada ketel uap diantaranya yaitu: Indikator tinggi air merupakan alat untuk menunjukan tinggi permukaan air yang ada pada boiler. Alat ini berada di depan boiler. 2. Katup pengaman berfungsi untuk menjaga dari terjadinya peledakan boiler karena



.



tekanan yang melebihi batas. Terdapat empat macam jenis katup pengaman, yaitu: a. Lever safety valve Berfungsi untuk menjaga tekanan boiler tetap aman. Jika ada tekanan yang melebihi seting, maka katup akan terangkat dari kedudukannya dan uap akan keluar secara otomatis, sehngga tekanan dalam air akan turun. Gambar A. Water Tube Boiler



b. Dead weight safety valve Umumnya dipakai pada boiler yang diam. Pada



Bagian-Bagian Boiler



tekanan



1. Ruang bakar/furnace merupakan tempat berlangsungnya pembakaran.



normal



menyebabkan



katup



pemberat terletak



akan pada



kedudukannya. Jika tekanan melebihi



2. Alat pembakar/burner merupakan tempat



seting,



katup



akan



terangkat



dari



bercampurnya bahan bakar dengan udara



kedudukannya dan uap akan keluar



dan melakukan pembakaran.



sehingga tekanan normal lagi. Jumlah



3. Permukaan



penguap/steaming



surface,



berfungsi menangkap energi kalor dari gas dan meneruskannya ke air sehingga air menjadi uap.



pemberat disesuaikan dengan tekanan perencanaan. c. High steam and lower safety valve Katup ini terletak di puncak pada ketel



uap Cornish dan Lancashire. Katup ini



8. Separator,berguna untuk menghilangkan



digunakan jika tekanan kerja uap lebih



moisture-moisture



besar daripada seting, dan jika level air



boiler untuk didistribusikan. Uap dari



dalam boiler terlalu rendah.



boiler dibawa ke dalam chamber yang



d. Spring loaded safety valve Biasanya



uap



setelah



dari



jauh lebih besar dari pipanya sendiri,



dipakai pada boiler yang bergerak,



sehingga terjadi ekspansi volume.



misalnya pada kereta api. Terdapat dua



9. Kipas udara atau blower, berfungsi



katup yang di tempatkan pada dudukan



untuk memasukkan udara ke dalam



katup. Jika tekanan melebihi seting,



ruang bakar boiler.



maka uap mendesak katup. 3. Pemanas air, befungsi untuk menaikkan



Desain Boiler Water Tube



temperatur air yang masuk ke boiler.



Komponen boiler adalah seperangkat alat atau



Dengan pemanas ini, maka beban termis



unit proses yang merupakan bagian dari boiler.



boiler



Setiap



akan



lebih



ringan,



dan



mengurangi kerak-kerak pada boiler.



komponen



memiliki



fungsi



yang



berbeda, dan terhubung dengan komponen



4. Pompa pengisi air, berfungsi sebagai pengisi air pada boiler.



lainnya



sesuai



alur



prosesnya.



Dengan



memahami setiap fungsi komponen pada boiler,



5. Pengatur air merupakan alat kontrol otomatis untuk mengatur pemasukan air



maka anda dapat mengetahui prinsip kerja boiler dengan lebih detail.



agar tingginya tetap di dalam boiler. 6.



Ekonomiser



merupakan



jenis



dari



pemanas air. Akan tetapi, ekonomiser menerima



panas dari gas-gas sisa



pembakaran



yang



menuju



Keuntungan dari ekonomiser



stack . yaitu:



Mengefisiensikan bahan bakar antara 15-20% Dapat mencegah timbulnya kerak dalam pipa air, karena boiler



Gambar B Rangkaian komponen boiler



sudah dipanaskan dan kerak terbentuk dalam pipa-pipa ekonomiser. 7. Water treatment plant, berfungsi untuk mengolah air agar air tersebut baik untuk boiler.



Adapun nama nama komponen boiler beserta fungsinya : 1. Make up Water Heater Berfungsi untuk pemanasan tahap awal, sistem pemanasannya menggunakan steam,



untuk meningkatkan efisiensi sitem, dan air hasil Makeup Water heater selanjutnya



Ketiga komponen awal diatas merupakan



masuk kedeaerator.



komponen preboiler yang bertujuan untuk



2. Deaerator



menghasilkan air umpan boiler (feed water



Untuk menghilangkan O2 secara mekanik,



boiler)



CO2 DAN NH3 yang tidak terionisasi juga



menimbulkan masalah scale (korosi pada



ikut terbuang, prinsip kerjanya dengan



boiler yang sangat merugikan).



menaikkan temperature dan agitasi (spray,



yang



aman



sehingga



tidak



4. Steam & Mud Drum



Tray), sehingga gas lebih mudah lepas gas yang terlepas dari air selanjutnya



ditiup



dengan steam sehingga lebih cepat keluar melalui fan (output gas).



Gambar D Steam Drum dan Mud Drum



Gambar C Dearator



Dari feed water economizer kemudian masuk kekomponen boiler inti, yaitu steam



Dearator dipanaskan dengan menggunakan



drum dan mud drum. Feed water masuk



steam. Selain digunakan untuk menaikkan



kedalam boiler mud drum. Karena suhunya



temperature, steam juga berfungsi untuk



lebih rendah disbanding air yang ada dalam



meniup gas gas yang telah terlepas sehingga



boiler, maka feed water turun kebawah



gas keluar melalui Vent (output gas).



menuju mud drum (lower drum). Pengotor



Kelarutan oksigen menurun seiring dengan



yang masih terdapat dalam feed water,



kenaikan temperature. Karena alas an inilah



dengan bantuan bahan kimia khususnya



dearator



dipanaskan setelah mengalami



scale inhibitor maka akan mengendap



proses didaerator, selanjutnya masuk ke feed



didasar mud drum. Kotoran yang akan



water economizer.



terakumulasi di mud drum harus dikeluarkan



3. Feed Water Economizer



dengan



blowdown



dalam



yang



tepat.



boiler



akan



Berupa tube-tube heat Exchanger yang



Selanjutnya



simple yang merupakan tahap terakhir dari



mendapatkan pemanasan disisi api. Air yang



sistem boiler feed water, berfungsi untuk



makin panas akan naik keatas (steam drum)



membantu pemanasan awal,



dan



menjadi



air



boiler



uap (steam),



selanjutnya



dikeluarkan



menuju



komponen



boiler



berikutnya (superheater boiler).



Prinsip Kerja Water Tube Boiler Boiler adalah suatu perangat mesin yang



5. Superheater Boiler



berfungsi untuk merubah air menjadi uap. Proses



Berfungsi untuk meningkatkan temperature



perubahan air menjadi uap dilakukan dengan



steam yang dihasilkan boiler, steam yang



memanaskan air yang berada didalam pipa-pipa



dihasilkan steam drum boiler disebut steam



dengan panas hasil pembakaran bahan bakar.



basah



dengan



Proses pembakaran dilakukan secara continue



temperature umumnya sekitar 250℃ steam



didalam ruang bakar dengan mengalirkan bahan



yang dihasilkan superheater boiler disebut



bakar dan udara dari luar. Uap yang dihasilkan



steam kering atau superheated steam dengan



adalah uap superheat dengan tekanan dan



temperature dapat mencapai sekitar 340℃



temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap



agar



pemanasan



tergantung pada luas permukaan pemindah



menggunakan



panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang



sumber api yang sama dengan digunakan



diberikan. Boiler yang konstruksinya terdiri dari



untuk pemanasan air dalam boiler, dari



pipa-pipa berisi air disebut water tube boiler



superheater



(boiler pipa air).



atau



saturated



lebih



efisien,



superheater



steam



proses



boiler



dapat



selanjutnya



masuk



ke



attemperator. 6. Attemperator Berfungsi



untuk



control



temperature



superheater steam, prinsip kerjanya dengan pengaturan spray air murni secara otomatis setelah menghasilkan superheated steam dengan



temperature



yang



terkontrol,



selanjutnya steam digunakan untuk menjalan Gambar E Boiler



turbin pembangkit listrik atau unit proses lainnya sesuai kebutuhan. 7. Sistem Kondensat Berfungsi untuk mendapatkan air kondesat yang baik untuk feed water caranya dengan mencairkan kembali steam yang telah digunakan.



Dalam pengoperasiannya, boiler ditunjang oleh beberapa peralatan bantu seperti economizer, ruang bakar, dinding pipa, burner, steam drum, superheater



dan



cerobong.



Fungsi



dari



boiler adalah menghasilkan uap air bertekanan yang biasanya digunakan untuk menggerakkan memutar turbin yang dihubungkan dengan generator.



Sistem boiler terdiri dari sub system air umpan



Aplikasi Watertube pada Industri PLTU



(feed water), sub sistem uap dan sub sistem bahan bakar. Sub sistem air umpan menyediakan air untuk boiler dan diatur secara otomatis untuk memenuhi kebutuhan uap. Sub sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam boiler. Uap dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik-titik pengguna. Tekanan uap diatur menggunakan katup dan dikontrol dengan alat pengukur tekanan uap. Sub sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk



menyediakan



bahan



bakar



untuk



menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung jenis bahan bakar yang digunakan. Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadi uap disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler



yang



economizer. memanaskan



tinggi,



biasanya



Ekonomizer awal



air



Saya mengambil salah satu contoh prinsip kerja boiler water tube pada industri yaitu pada PLTU, Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Jenis pembangkit listrik tenaga termal yang banyak digunakan, karena efisiensinya tinggi sehingga menghasilkan energi listrik yang ekonomis. PLTU merupakan mesin konversi energy yang mengubah energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi listrik. Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu: Pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam bentuk uap bertekanan dan temperature tinggi. B. Kedua, energi panas (uap) diubah menjadi enegi mekanik dalam bentuk putaran. C. Ketiga, energi mekanik diubah menjadi energi listrik.



digunakan



berfungsi



untuk



umpan



dengan



menggunakan limbah panas dari gas buang. Ada dua jenis boiler yaitu fire tube boiler (ketel uap pipa api) dan water tube boiler (ketel uap pipa air). Kedua jenis boiler ini paling banyak digunakan sebagai alat untuk mengolah uap untuk berbagai keperluan pada industri maupun pembangkit tenaga listrik.



Gambar F Prinsip kerja Boiler PLTU PLTU menggunakan fluid kerja air uap yang bersirkulasi secara tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang.



Urutan



sirkulasinya



singkat adalah sebagai berikut:



secara



1. Pertama air diisikan ke Boiler hingga



melakukan atau memindahkan kalor dari suatu



mengisi penuh seluruh luas permukaan



sumber pembakaran, yang biasanya berupa



pemindah panas. Didalam boiler air ini



pembakaran bahan bakar.



dipanaskan dengan gas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah



sama seperti pada saat kita sedang mendidihkan



menjadi uap. 2. Kedua, uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk



Prinsip kerja boiler sebenarnya cukup sederhana



memutar



Turbin



Uap



sehingga



menghasilkan daya mekanik berupa putaran. 3. Ketiga,Generator yang dikopel langsung dengan turbin berputar menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan



air menggunakan panci. Proses pendidihan air tersebut akan selalu diiringi proses perpindahan panas yang melibatkan bahan bakar, udara, material wadah air, serta air itu sendiri. Proses perpindahan panas ini mencakup tiga jenis perpindahan panas yang sudah sangat kita kenal yakni konduksi, konveksi, dan radiasi



magnet dalam kumparan, sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari Daftar Pustaka



terminal output generator. 4. Keempat, uap bekas keluar turbin masuk ke



Effendy.Dwi Ardianto 2013. “Rancang Bangun



Kondensor untuk didinginkan dengan air



Boiler untuk Proses Pemanasan Sistem Uap



pendingin agar berubah kembali menjadi air



pada Industri Tahu dengan Menggunakan Catia



yang disebut air kondensat. Air kondensat



V5”. Skripsi : Prodi Pendidikan Teknik Mesin.



hasil kondensasi uap kemudian digunakan



Fakultas Teknik. Universitas Negeri Semarang.



lagi sebagai air pengisi boiler. 5. Demikian siklus ini berlangsung terus



Hendaryati,Heni. Analisis Efisiensi Termal pada Ketel Uap Dipabrik Gula Kebonagung Malang,



menerus dan berulang-ulang



Skripsi: Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang. Kesimpulan Parapak, Bandi. 2013. Desain Fire Tube Boiler Boiler atau ketel uap adalah suatu alat berbentuk



Untuk Utilitas Pabrik Elemen Bakar Nuklir Tipe



bejana



PWR 1000 MWe. Pusat Rekayasa Perangkat



tertutup



yang



digunakan



untuk



menghasilkan steam. Steam diperoleh dengan



Nuklir. Batan.Vol 10 no.2.



memanaskan bejana yang berisi air dengan bahan bakar Boiler mengubah energi-energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk



Purba, Jhonas. Jurnal Perancangan Boiler Pipa Api Untuk Perebusan Bubur Kedelai Pada



Industri Tahu Kapasitas Uap Jenuh 160 Kg/Jam. Teknik Mesin Universitas Pasir Pengaraian. Sunyoto, dkk.Skripsi: Penerapan Ketel Uap (Steam Boiler) pada Industri Pengolahan Tahu Untuk Meningkatkan Efisiensi dan Kualitas Produk. Jurusan Teknik Universitas Negeri Semarang. Syahputra. Yogie Andrian. Skripsi: Analisa Water Tube Boiler Menggunakan Termocouple Type K PT 100 Sebagai Sensor Temperature dan Differential Pressure dalam Proises Efisiensi Bahan Bakar di PT Sariincofood Corporotion. Jurusan



Teknik



Elektro



Muhammadiyah Sumatra Utara.



Universitas