PERANCANGAN KETEL UAP DENGAN KAPASITAS 122 TON UAPJAM UNTUK PENGOLAHAN 4000 TON TEBUHARI (SURVEI PTPN II KWALA MADU)
PERANCANGAN KETEL UAP DENGAN KAPASITAS 122 TON UAP/JAM UNTUK PENGOLAHAN 4000 TON TEBU/HARI (SURVEI PTPN II KWALA MADU) SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RAJA B.A.M SIHOMBING NIM. 090421025 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
PERANCANGAN KETEL UAP DENGAN KAPASITAS 122
TON UAP/JAM UNTUK PENGOLAHAN 4000 TON
TEBU/HARI
(SURVEI PTPN II KWALA MADU)
RAJA B.A.M SIHOMBING
NIM. 090421025Telah Disetujui Oleh :
Pembimbing/PengujiIr. Syahrul Abda, M.Sc.
NIP. 195708051988111001
Penguji I,Penguji II, Tulus Burhanuddin S, ST. MT Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc.
NIP. 197209232000121003 NIP. 194910121981031002
Diketahui Oleh :
Departemen Teknik Mesin
Ketua
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001
Universitas Sumatera Utara Fakultas Teknik Program Pendidikan Ekstensi Jurusan Teknik Mesin Medan KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA No. …………………./TS/……
Sub Program : Teknik Mesin Bidang Tugas : Ketel Uap Judul Tugas : Per ancangan Ketel Uap dengan Kapasitas 122 Ton
PTPN II Kwala Madu) Diberikan Tanggal : Selesai Tgl : Dosen Pembimbing : Ir. Syahrul Abda, M.Sc Nama Mhs. : Raja B.A.M.
Sihombing N.I.M : 090421025
No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen Pemb.
1 08-09-2011 Konsultasi judul 2 12-09-2011 Konsultasi judul dan pemberian spesifikasi 3 28-09-2011 Asistensi Bab I dan Bab II
4 12-10-2011 Asistensi refisi Bab I dan Bab II 5 27-10-2011 Asistensi refisi Bab I dan Bab II 6 03-11-2011 Asistensi refisi Bab I dan Bab II 7 16-11-2011 Asistensi Bab III 8 25-11-2011 Asistensi dan refisi Bab III 9 10-01-2012 Asistensi dan refisi Bab III
10 25-01-2012 Asistensi Bab IV 11 22-02-2012 Asistensi refisi Bab IV 12 27-04-2012 Asistensi refisi Bab IV 13 23-05-2012 Asistensi refisi Bab IV dan gambar 14 08-06-2012 Asistensi refisi gambar 15 30-06-2012 Asistensi refisi gambar 16 04-07-2012 Aistensi refisi gambar dan persiapan seminar
Catatan: Diketahui 1. Ketua P.S. Teknik Mesin
Kartu harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing Setiap Asistensi
FT. USU 2.
Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi 3. Kartu ini dikembalikan ke Jurusan, bila kegiatan Asistensi telah selesai
DR.ING.Ir. IKHWANSYAH ISRANURI. NIP. 196412241992111001 JURUSAN TEKNIK MESIN AGENDA : /TS / PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI DITERIMA : / / FAKULTAS TEKNIK USU PARAF : M E D A N
TUGAS SARJANA
NAMA : Raja B.A.M Sihombing NIM : 090421025 MATA PELAJARAN : Ketel Uap SPESIFIKASI : Rancang ulang sebuah ketel uap pipa air dengan kapasitas 122 Ton uap/jam untuk kebutuhan pabrik tebu. Dengan terlebih dahulu melakukan surve lapangan pada PTPN II Kwala Madu untuk mengambil data-data yang diperlukan.
DIBERIKAN TANGGAL : 08 / 09 / 2011 SELESAI TANGGAL : 05 / 07 / 2012 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 05 JUlI 2012
DOSEN PEMBIMBING, DR.ING.IR. IKHWANSYAH ISRANURI.
IR.SYAHRUL ABDA, M.Sc. NIP. 196412241992111001 NIP. 195708051988111001
ABSTRAK
Mengingat kebutuhan gula saat ini semakin bertambah, maka dibutuhkan pembangunan beberapa pabrik gula, dalam pengoperasian pabrik tersebut dibutuhkan ketel uap untuk mensuplai energi. Pada skripsi ini di rancang sebuah ketel uap jenis pipa air, dengan kapasitas 122 Ton uap/jam untuk pengolahan 4000 Ton tebu per-hari untuk memenuhi kebutuhan energi pabrik gula. Dengan metodologi perancangan, melakukan surve lapangan pada PTPN II Kwala Madu untuk memperoleh data-data yang diperlukan, dan mengolah data-data yang didapat mempergunakan formula-formula yang terdapat pada buku rujukan. Hasil
3
dari perancangan di dapat volume ruang bakar 170,095 m , jumlah pipa waterwall 162 buah, jumlah pipa superheater 690 buah, jumlah pipa ekonomizer 165 buah, jumlah pipa alat pemanas udara (APU) 1210 buah, jumlah pipa alat pemanas bahan bakar (APB) 110 buah, dan effisiensi ketel uap 80,87 %. Kesimpulan dari perancangan ini adalah telah berhasil dirancang sebuah Ketel Uap untuk memproduksi 122 Ton uap/Jam yang dipergunakan untuk pengolahan 4000 Ton tebu/hari.
Kata kunci: Perancangan, Pipa Air, Ruang Bakar, Superheater, Waterwall, Ekonomizer, APU, APB, Effesiensi.
ABSTRACT
Given the current needs sugar to grow, it is necessary to the construction of a sugar mill, the operation of the boiler plant needed to supply energy. In this thesis the design of a water tube type boiler with steam capacity of 122 tons of steam/hour for processing 4000 tons of cane/day to meet the energy needs of the sugar factory. With a design methodology, conduct field surve on PTPN II Kwala Madu to obtain the necessary data, and process the data obtained to use the formulas found in reference books. The results of the design in the combustion chamber volume to 170.095 m3, the number of waterwall tube 162 pieces, 690 pieces of the superheater tube, the tube 165 ekonomizer fruit, the amount of air heater pipe (APU) in 1210 the fruit, the amount of fuel pipeline heating device (APB) 110 fruit, and 80.87% boiler efficiency. The conclusion of the design has been successfully designed a Boiler to produce 122 Ton steam/Hour are used for processing 4000 Tons of cane/day.
Key words: Design, Pipe Air, Space Fuel, superheater, waterwall, Ekonomizer, APU, APB, Effesiensi.
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK ABSTRACT DAFTAR ISI ....................................................................................................... i DAFTAR TABEL .............................................................................................. iv DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... v DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xi BAB 1. PENDAHULUAN ................................................................................ 1
1.1. Latar Belakang ............................................................................. 1
1.2. Perlakuan Tenaga Dalam Industri Gula ........................................ 2
1.3. Tujuan Perancangan ..................................................................... 3
1.4. Perumusan Masalah ..................................................................... 3
1.5. Batasan Masalah ........................................................................... 4
1.6. Metodologi Perancangan .............................................................. 4
1.7. Manfaat Perancangan ................................................................... 4
1.8. Sistematika Perancangan .............................................................. 4
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 6
2.1. Proses Pembentukan Uap ............................................................ 6
2.1.1. Uap Basah .......................................................................... 6
2.1.2. Uap Jenuh ............................................................................ 7
2.1.3. Uap Panas Lanjut ............................................................... 7
2.2. Ketel Uap ..................................................................................... 8
2.2.1. Klasifikasi Ketel Uap ......................................................... 9
2.2.2. Bagian-bagian Utama Ketel Uap ....................................... 13
2.2.3. Bahan Bakar Ketel Uap ...................................................... 14
2.2.4. Nilai Kalor (Heating Value) ............................................... 15
2.2.5. Perpindahan Panas pada Ketel Uap .................................... 16
3.1. Bahan Bakar ................................................................................. 19
3.1.1. Nilai Pembakaran ............................................................... 19
3.1.2. Kebutuhan Bahan Bakar .................................................... 23
3.1.3. Kebutuhan Udara ............................................................... 24
3.1.4. Analisa Gas Asap ............................................................... 26
3.1.5. Tekanan Parsial Gas Asap .................................................. 29
3.2. Spesifikasi Ketel Uap .................................................................. 30
BAB 4. PERANCANGAN KETEL ................................................................. 31
4.1. Perancangan Ruang Bakar Ketel .................................................. 31
4.1.1. Ukuran ruang bakar ............................................................ 31
4.1.2. Burner ................................................................................. 33
4.2. Pipa Air (Waterwall) .................................................................... 35
4.2.1. Pipa Waterwall pada Bidang Depan .................................. 36
4.2.2. Pipa Waterwall Bagian Samping Kanan dan Kiri .............. 39
4.2.3. Pipa Waterwall Bagian Belakang ...................................... 40
4.3. Temperatur Pembakaran .............................................................. 42
4.4. Kehilangan Panas ......................................................................... 42
4.5. Perpindahan Panas pada Ruang Bakar ......................................... 43
4.6. Panas yang Meninggalkan Ruang Bakar ...................................... 45
4.7. Superheater ................................................................................... 46
4.7.1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ........................ 48
4.7.3. Faktor Koreksi Superheater ................................................ 55
4.7.4. Tinggi Superheater ............................................................. 55
4.8. Ekonomiser .................................................................................. 57
4.8.1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ........................ 60
4.8.2. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) ................ 65
4.8.3. Faktor Koreksi Ekonomiser ............................................... 66
4.8.4. Tinggi Ekonomiser ............................................................. 66
4.9. Alat Pemanas Udara (APU) ......................................................... 68
4.9.1. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) ................ 70
4.9.2. Faktor Koreksi Alat Pemanas Udara .................................. 70
4.9.3. Panjang Alat Pemanas Udara ............................................. 71
4.10. Alat Pemanas Bahan Bakar .......................................................... 73
4.10.1. Perbedaan Temperature Rata-rata Log (LMTD) .............. 75
4.10.2. Faktor Koreksi Alat Pemanas Bahan Bakar ..................... 75
4.10.3. Panjang Alat Pemanas Bahan Bakar ................................ 76
4.11. Drum Ketel ................................................................................... 78
4.11.1. Uji coba Bahan Drum ...................................................... 80
4.11.2. Isolasi Drum Ketel ........................................................... 82
4.12. Cerobong Asap ............................................................................. 85
4.13. Kipas (Fan) .................................................................................. 87
4.14. Efisiensi Ketel Uap ...................................................................... 89
DAFTAR LITERATUR .................................................................................... 94 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
3.1. Komposisi Minyak Residu ....................................................................... 20
3.2. Hasil Percobaan Bahan Bakar .................................................................. 23
4.1. Beban Tungku .......................................................................................... 32
4.2. Neraca Panas ketel Uap ............................................................................ 89
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
2.1. Diagram T-S Proses pembentukan uap .................................................... 8
2.2. Ketel Babcock dan Wilcock ..................................................................... 9 (Mechanical Engineering. Babcock and Wilcox Boiler. http://mechanical- engineering-info.blogspot.com/2012/02/babcock-and-wilcox-boiler.html)
2.3. Ketel Lokomotif ....................................................................................... 10 (Wikipedia. Glossary of Steam Locomotive Components. http://en.wikipedia.org/wiki/Glossary_of_steam_locomotive_components)
2.4. Ketel Pipa Miring Tegak .......................................................................... 11 (Scribd. Boiler. http://www.scribd.com/doc/70042674/BOILLER)
2.5. Ketel dengan peredaran alami .................................................................. 11 (Marine Insight. The Science Behind Marine Boiler Water Circulation on Ship. http://www.marineinsight.com/tech/the-science-behind-marine- boiler-water-circulation-on-ships/)
2.6. Ketel dengan peredaran paksa .................................................................. 12 (Volker Quasching, Dr. Prof. Solar Thermal Water Heating. http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4/index.php)
3.1. Penampang Bomb Kalorimeter ................................................................ 22 (Denosan. Bomb Kalorimeter. http://denosan.com/engineer/mechanical- engineer/bomb-kalorimeter)
4.1. Bentuk Ruang Bakar Ketel Uap ............................................................... 33
4.2. Penempatan Posisi Burner ....................................................................... 34
4.3. Susunan Pipa Waterwall .......................................................................... 36
4.4. Susunan Pipa Waterwall Bagian Depan ................................................... 38
4.5. Susunan Pipa Waterwall Bagian Samping ............................................... 39
4.6. Sususnan Pipa Waterwall Bagian Belakang ............................................ 41
4.7. Susunan Pipa Superheater ........................................................................ 52
4.8. Susunan Pipa Ekonomiser ........................................................................ 63
4.9. Tegangan-tegangan Yang Terjadi Dada Drum ........................................ 80 (Shigley. Joseph E, “Perencanaan Teknik Mesin”, Jilid 1, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1994)
4.10. Temperatur Keluar Cerobong vs Diameter Cerobong ............................. 86 (R. S. Khurmi, “Heat Engines”, S. Chand & Co. Ltd, New Delhi, 1979)
DAFTAR NOTASI
Notasi Arti Satuan
- ε c
2 dan H
σ Konstanta Stefan-Boltzman W/m
2
.K
4
ε Emisivitas material - Emisivitas gas asap
, ε w
Emisivitas CO
2 O -
Absortivitas gas asap - ∆ε, ∆α
- μ
3
2 O -
c, , C w Faktor koreksi CO 2 dan H
2 C
(A w ) tot Luas total pipa waterwall m
2
2 A w Luas permukaan bidang pemanas m
2 A Seksi Luas permukaan tiap seksi m
2 A sh Luas bidang pemanas Superheater m
3 A Luas laluan gas asap m
Kg/m
ρ Massa jenis
N/m
Faktor koreksi jika CO
γ Berat jenis
Viskositas dinamik Kg/m.s
ω Fraksi uap
Efisiensi ketel uap %
η
2 O -
2 dan H
α w Absorbsivitas CO
α c ,
2 O terdapat bersama-sama -
2 dan H
k
- F Faktor koreksi
- HHV Nilai pembakaran tertinggi kJ/kg h rf Beban tungku
Koefisien perpindahan panas di luar pipa kJ/jam.m
bb
̇
Laju aliran uap kg/jam m
u
̇
̇ Laju aliran massa kg/jam m
LHV Nilai pembakaran terendah kJ/kg l pipa Panjang pipa m l pipa Panjang pipa pemanas m l seksi Panjang pipa pemanas dalam satu seksi m K Konduktivitas panas bahan kJ/jam.m. C m
. C H Head m
2
i
C p Panas jenis kJ/kg C
. C h
2
jam h Enthalpi J h o Koefisien perpindahan panas di luar pipa kJ/jam.m
3
kJ/m
D i Diameter dalam pipa m fe Factor efectiv pipa
Jarak antara sumbu pipa m D Diameter luar pipa m
d
C
Laju aliran massa bahan bakar kg/jam
��� Temperatur uap rata-rata C
Q apb Panas yang diserap bahan bakar kJ/jam. Q
u
T
C T Sh Tinggi superheater m
m T g Temperatur gas
Q ek Panas yang diserap pipa ekonomizer kJ/jam. r Jari-jari luar, dalam drum m R ed Bilangan Reynold
apu Panas yang diserap pemanas udara kJ/jam.
sh Panas yang diserap pipa superheater kJ/jam.
m ̇
Q wt Panas yang diserap pipa waterwall kJ/jam. Q
P Tekanan Bar Q bb Panas yang terjadi dalam ruang bakar kJ/jam.
N fan Daya fan kW n p Jumlah pipa pemanas dalam satus eksi buah
N Daya kW n Jumlah Pipa Buah
Laju aliran massa udara kg/jam mg Laju aliran gas asap kg/jam
ud
- S Panjang laluan gas asap setelah ruang bakar m S n Jarak tube
T
u
Temperatur uap C
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh kJ/jam.m
2 C
V rb Volume ruang bakar m
3 Volume spesifik
m
3
/kg
V Kecepatan uap keluar pipa m/s V g max Kecepatan gas asap maksimum m/s W ud Berat udara yang dibutuhkan kg
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1: Sifat-sifat Uap Air
Lampiran 2: Harga Roughness Material Lampiran 3: Koefesien Kerugian Instalasi Pipa Lampiran 4: Tabel Uap Panas Lanjut Lampiran 5: Tabel Uap Jenuh Lampiran 6: Bahan Pipa Waterwall, Superheater, dan Backpass Lampiran 7: Dimensi Pipa Standar JIS dan ANSI Lampiran 8: Entalphi Api dan Gas Asap Lampiran 9: Kehilangan Panas ke Udara Luar Lampiran 10: Emisivitas dan Faktor Koreksi CO dan H O
2
2 Lampiran 11: Tabel Sifat-sifat Udara
Lampiran 12: Faktor Koreksi Superheater Lampiran 13: koefesien Konduktifitas Bentuk Benda Lampiran 14: Nilai Konduktifitas Logam Lampiran 15: Pendekatan Nilai Koefesien Perpindahan Panas menyeluruh (U o ) Lampiran 16: Jenis-jenis Bahan isolasi dan Penerapannya Lampiran 17: Tabel kecepatan Fluida Lampiran 18: Susunan Tabung Superheater, Backpass. Harga C dan m Lampiran 19: Faktor Keefektifan Pipa Waterwall.
Lampiran 20: Diagram Alir Proses Pabrik Gula