## ANALISIS EFISIENSI KETEL UAP PIPA AIR DENGAN KAPASITAS MAKSIMUM 10 TON PER JAM DENGAN BAHAN BAKU BATU BARA
Indriyani dan Ruslan Dalimunthe Dosen Tetap pada Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sang Bumi Ruwa Jurai – Lampung (Indonesia)

## Abstrak
Pengendapan minyak atau pembentukan batu ketel akan dapat menimbulkan over heating (panas  berlebih  yang  terjadi  dalam  pipa  yang  tersumbat  oleh  kotoran  yang  membatu menyebabkan pipa ai mudah pecah), konstuksinya lebih rumit, pemeliharaannya sulit dan membutuhkan  biaya  yang  mahal,  membutuhkan  pemakaian  pengatur  otomatis  pada beberapa alat operasional ketel, perlu berhati-hati betul menjaga tenangnya air dalam ketel, karena  produksi  uap  sangat  cepat.  Metodologi  penelitian  yang  dilakukan  adalah  dengan menggunakan ketel uap kapasitas 10 ton/jam, dengan data-data sebagai berikut: kapasitas 10,00  ton  uap/jam,  tekanan  25,00  kg/cm 2 ,  temperatur  uap  keluar  superheat  400,00 0 C, bahan bakar batubara, nilai pembakaran 5.300,00 kcal/kg. Hasil penelitian sebagai berikut diantaranya: temperatur air pengisi masuk ekonomiser 80,00 0 C, temperature ruang bakar 1.420,00 0 C,  pemakaian  bahan  bakar  tiap  jam  1.617,00  kg/jam,  kalor  yang  diterima 6.938.300,00 kcal/k, temperature air keluar ekonomiser 170,00 0 C, luas panas ekonomiser 157,90  m 2 ,  tebal  pipa  ekonomiser  2,41  mm,  jumlah  pipa  ekonomiser  84,00  buah,  tebal pipa-pipa  air  2,75  mm,  tebal  pipa  air  pengumpul  5,88  mm,  luas  panas  pipa  air  94,60  m 2 , jumlah  pipa  air  182,00  buah,  tebal  plat  boiler  drum  22,40  mm,  tebal  tutup  boiler  drum 26,50 mm, tebal pipa superheat 2,260 mm, jumlah pipa superheat 68,00 buah, luas panas superheat 84,20 m 2 , total luas panas boiler 336,70 m 2 , kebutuhan udara pembakaran setiap jam 9,6012 kg/bahan bakar, panas yang diserap oleh boiler 8.672.875 kcal/jam.
Kata kunci: efisiensi, ketel uap pipa air, pipa ekonomiser, boiler, pipa superheater

## EFFICIENCY EFFICIENCY ANALYSIS OF WATER PIPE WITH MAXIMUM CAPACITY 10 TON PER HOURS WITH RAW MATERIAL RAW MATERIALS
Indriyani and Ruslan Dalimunthe Permanent Lecturers of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sang Bumi Ruwa Jurai – Lampung (Indonesia)

## Abstract
Precipitation  of  oil  or  the  formation  of  a  boiler  can  lead  to  overheating  (overheating occurring  in  pipes  clogged  by  petrified  stools  causing  the  pipes  to  break  easily),  the construction is more complicated, maintenance is difficult and costly, requiring automatic regulation of some devices operational kettle, need to be careful really keep the calm water in  the  kettle,  because  the  production  of  steam  very  quickly. The  methodology  of  this research  is  to  use  a  10  ton  /  hour  capacity  boiler,  with  the  following  data:  capacity  of 10.00  tons  of  steam  /  hour,  pressure  25.00  kg  /  cm 2 ,  superheat  exit  steam  temperature 400.00 0C, fuel coal, burning value 5,300.00 kcal / kg. The research results are as follows: water  temperature  charger  enter  economizer  80,00 0 C,  temperature  of  combustion chamber  1,420,00 0 C,  fuel  consumption  every  hour  1,617,00  kg  /  hour,  calorie  received 6,938,300,00  kcal  /  k,  water  temperature  out  ekonomiser  170,00 0 C,  heat  of  economizer 157,90 m 2 , thickness of pipe economist 2,41 mm, number of economical pipe 84,00, thick of
water  pipe  2,75  mm,  thick  of  collector  pipe  5.88  mm,  94.60  m 2 hot  water  pipe,  182.00 pounds  of  water  pipe,  22.40  mm  drum  plate  thickness,  drum  cover  drum  thickness  26.50 mm,  superheat  pipe  thickness  2,260  mm,  superheat  pipe  number  68,00,  wide  area superheat heat 84,20 m 2 , total heat of boiler 336,70 m2, requirement of burning air every hour 9,6012 kg/material, heat absorbed by boiler 8,672,875 kcal / hour.
Keywords:  efficiency, water pipe boiler, economizer pipe, boiler,superheater pipes

## I. Pendahuluan

## 1.1. Latar Belakang Masalah
Salah  satu  kelompok  energi  yaitu  ketel uap  yang  dipergunakan  untuk  mengubah air menjadi uap, dimana uap ini berfungsi sebagai  zat  pemindah  tenaga  kalor, tenaga  kalor  yang  dikandung  di  dalam uap  ini  dinyatakan  dengan  entalphi  yang diperoleh  uap  dari  proses  pembakaran bahan bakar, yang mana kalor dipindahkan  dari  bahan  bakar  ke  air  dan uap  melalui  api  dan  gas  menembus dinding-dinding  pipa  bidang  pemanas (Setyardjo Djoko, 2013).
Ketel  uap  pipa-pipa  air  mempunyai keuntungan-keuntungan  sebagai  berikut: volume  air  relatif  lebih  kecil  sehingga pemanasan awal lebih cepat, dalam waktu yang  singkat  telah  dapat  memproduksi uap, sanggup bekerja pada tekanan tinggi, mempunyai  kapasitas  total  uap  yang besar dan berat ketel yang relative ringan dibandingkan  kapasitas  ketel.  Beberapa kelemahan  pada  ketel  uap  pipa-pipa  air: air  isian  harus  selalu  bersih,  lebih-lebih bila  bekerja  pada  tekanan  tinggi  karena
sedikit  saja  terjadi  pengendapan  minyak atau  pembentukan  batu  ketel  akan  dapat menimbulkan over heating (panas berlebih  yang  terjadi  dalam  pipa  yang tersumbat  oleh  kotoran  yang  membatu menyebabkan  pipa  ai  mudah  pecah), konstuksinya lebih rumit, pemeliharaannya  sulit  dan  membutuhkan biaya yang mahal, membutuhkan pemakaian pengatur otomatis pada beberapa  alat  operasional  ketel,  perlu berhati-hati  betul  menjaga  tenangnya  air dalam  ketel,  karena  produksi  uap  sangat cepat.

## II. Landasan Teori

## Ketel Uap Pipa Air
Ketel  uap  jenis  ini  mengalirkan  uap  di dalam  pipa-pipa,  sedangkan  pemanasan air  dilakukan  gas-gas  uap  yang  beredar disekitar pipa-pipa tersebut. Luas pemanas air ketel ini dibentuk oleh pipa- pipa  yang  berdinding  tipis  dengan  garis tengah  yang  kecil.  Oleh  karena  itu  pada ketel  pipa  air  terjadi  transfer  panas  yang cepat  pula.  Ketel  uap  pipa-pipa  air biasanya  mempunyai  tabung separator
pada drum uap atas yang berfungsi untuk memisahkan antara uap dan air (Setyardjo Djoko, 2013).

## Sirkulasi Air Masuk Ketel
Bagian  bawah  yang  paling  ujung  pipa dihubungkan  dengan  pipa  pengumpul ( collector  pipe) ,  sedangkan  pipa  bagian atas  menyambung  dengan  drum  ketel uap. Pada bagian belakang pipa konveksi susunan  pipa  antara  drum  atas  dengan dum  bawah  tersusun  beberapa  pipa seperti  sebuah  sisir  yang  tersusun  rapi. Dengan  bentuk  dan  konstruksi  pipa tersebut boiler ini  termasuk  bersirkulasi alam.  Terjadinya  pemanasan  di  dalam ruang  dapur  tadi  membuat  penguapan  di dalam  pipa-pipa  yang  tersusun  di  dalam dapur  menjadi  gelembung-gelembung uap naik keatas menuju boiler drum. Oleh karena itu pada pipa ketel pipa air terjadi transfer panas yang cepat pula. Ketel uap pipa-pipa  air  yang  biasanya  mempunyai tabung separator pada drum uap atas yang berfungsi  untuk  memisahkan  antara  uap dan air (Setyardjo Djoko, 2013).
Pada  ketel  uap  tekanan  tinggi  yang modern  dan  berkapasitas  besar  ada
pemisahan mekanik (mechanical
separation) yang membantu atau melengkapi  pemisahan  gravitasi  dan berlangsung  dalam  dua  langkah,  yaitu langkah  pemisahan  primer  dan  sekunder
(A.T.  Brown  and  S.M.  Marco  Mc  Graw, 2012).
Disaat  tekanan  tinggi,  dimana  perbedaan antara  densitas  air  dan  uap  kecil, digunakan  gaya  sentrifugal,  yang  lebih besar  dari  gaya  gravitasi.  Peralatan pemisah sentrifugal juga disebut pemisah stklon (cyclone  separator) atau    pemisah turbo (turbo separator) . Alat ini melakukan  pemisahan  pada  tekanan mendekati  tekanan  kritis.  Pada  separator sentrifugal,  biasanya  campuran  yang datang dari pipa penaik dibelokkan secara tangensial ke bawah badan utama air.

## III. METODOLOGI PENELITIAN

## 3.1. Data-Data Ketel Uap
Data-data diambil dari survei lapangan: Kapasitas Terpasang =
10,00 ton uap/jam Tekanan Uap  = 25,00 kg/cm 2
Temperatur Uap Keluar Superheat = 400,00 0 C
Bahan Bakar  = Batubara
Nila Pembakaran = 5.300,00 kcal/kg

## 3.1.1. Temperatur Ruang Pembakaran
Suhu  udara  masuk  pembakaran  =  30,00
0 C
Panas jenis udara = 0,24 kcal/kg 0 C

## 3.1.2. Luas Panas Ekonomiser
Ekonomiser  adalah  suatu  alat  penukar panas  yang  digunakan  sebelumair  masuk
ke  dalam  drum  ketel  yang  berfungsi menaikan temperatur air, sebagai berikut:
Temperatur  gas  asap  masuk  ekonomiser (tg 1 ) = 320,00 0 C
Temperatur  gas  asap  keluar  ekonomiser (tg 2 ) = 180,00 0 C
Temperatur air masuk ekonomiser (tw 1 ) = 60,00 0 C
Temperatur air keluar ekonomiser (tw 2 ) = 170,00 0 C
Kapasitas air mengalir tiap jam (m ek )  = 10.000,00 kg/jam Cp air  = 1,00 kcal/kg 0 C
IV. Hasil Penelitian Dan Pembahasan 4.1. Hasil Penelitian

## 4.1.1. Perhitungan Ekonomisioner
Menghitung  kalor  yang  diterima  air pengisi pada ekonomisioner kita menggunakan rumus:
q eko = G. Cp. ∆t kcal/jam Dimana:
q eko
=  Kalor  yang  diterima
oleh pengisi air
G =  Massa  air  yang  lewat
ekonomisioner
Cp =  Panas  jenis  air  =  1,00 kcal/kg 0 C ∆t =  Selisih  air  masuk  dan keluar ekonomisioner adalah 90,00 0 C
Maka:
q eko = G. Cp. ∆t kcal/jam = 10.000,00 x 1,00 x 90,00
= 90.000,00 kcal/jam
Dengan  adanya  sistem  pemanas  tersebut kita dapat menghemat pemakaian batubara  sebanyak:  90.000,00  /  5.300,00 = 169,80 kcal/jam.
4.1.2. Perhitungan Boiler Drum
Data-data boiler drum adalah sebagai berikut:
Tekanan boiler drum = 25,00 kg/cm 2 Temperatur uap = 229,00 0 C Material boiler drum = 15,00 mo3 Diameter luar boiler drum =
101,20 cm
4.1.3. Perhitungan Superheater
A. Superheat IA
Dengan  demikian  tebal  pipa  dapat  kita hitung dengan rumus:
dt = + C
Dimana:
Semua  ketentuan  rumus  sama  dengan rumus  mencari  tebal  pipa  ekonomiser, dimana  untuk  temperature  pipa  229,00 0 C,  S  adalah  15.000,00  lb/in 2 =  1054,50 kg/cm 2 .
Maka:
dt = + C
dt =
+ 0,165
= 0,061 + 0,0165
= 0,226 cm
Tebal  pipa  superheat  sesuai  perhitungan =2,26 mm.
Menurut  normalisasi  kita  pakai  pipa dengan
Φ do  = 31,80 mm Φ di  = 26,91 mm

## B. Colector Superheat IA
Dengan  demikian  tebal  pipa  dapat  kita hitung dengan rumus:
dt = + C
= +
0,165
= 0,061 + 0,0165 = 0,568 cm
Tebal  pipa colector sesuai  perhitungan =5,68 mm.
Menurut  normalisasi  kita  pakai  pipa dengan
Φ do  = 20,90 cm =31,80 mm

## Φ di  = 193,67 mm
C. Superheater IB
Menurut  normalisasi  kita  pakai  pipa dengan:
Φ do  = 38,00 mm Φ di  = 31,00 mm

## D. Colector Superheat IB
Menurut  normalisasi  kita  pakai  pipa dengan:
Φ do  = 38,00 mm Φ di  = 31,00 mm

## E. Superheater II
Dimana  ketentuan  lain  sama  seperti superheater  IB,  untuk  temperature  uap pada  superheat  II,  400 0 C,  menurut  table P5.  S  =  14.000,00  lb/in 2 =  984,20 Kg/cm 2 .
Maka:
dt = + C = + 0,165 = 0,061 + 0,0165
= 0,23 cm
Tebal  pipa  superheat  II  menurut  hasil perhitungan = 23,00 mm
Menurut  normalisasi  kita  pakai  pipa dengan:
Φ do  = 38,00 mm Φ di  = 31,00 mm

## F. Colector Superheat II
Mengitung tebal pipa collector superheater n dengan ketentuan lain sama seperti  superheater  IB,  diman  untuk temperature uap 400,00 0 C, menurut table P5. S = 14.000,00 lb/in 2 = 984,20 kg/cm 2 . Maka:
dt = + C = +
0,165 = 0,061 + 0,0165 = 0,568 cm
Tebal  pipa  colector  sesuai  perhitungan =5,68 mm.
Ukuran pipa collector berdasarkan normalisasi:
Φ do  = 22,70 cm = 227 mm
Φ di  = 206,37 mm

## G. Luas Panas Superheat
Kalor  yang  diterima  oleh  uap  superheat adalah:
q eko = m uap . Cps. (ts 2 – ts 1 ) =  10.000,00  x  0,445  (400
– 227)
= 769.850,00 kcal/kg ∆t 1 = (tg in - ta ou )  = (950,00 – 400,00) = 550,00 0 C ∆t 1 = (ta ou - tg in )  = (620,00 – 227,00) = 393,00 0 C
∆t sh = = = 547 0 C Maka:
A sh =
Dimana k untuk  gas  ke  gas  =  25,00 kcal/m 2 h 0 C Sehingga:
A sh = = = 84,20 m 2
Jadi luas panas superheater  = 84,20 m 2
H. Jumlah Pipa Super Heater
n =
= 68,50 bh
Jadi  banyak  pipa  superheater  =  68  buah pipa

## 4.2. Temperatur Ruang Pembakaran
Suhu  udara  masuk  ruang  pembakaran    = 30,00 0 C
Panas jenis udara   = 0,24
4.2.1. Jumlah Kebutuhan Udara

## Teoritis
Kebutuhan oksigen tiap t kg batubara C = 0,5131 =  0,5131  x
= 1,368 kgO 2 H = 0,0454 =  0,0454  x 8 = 0,3632 kgO 2 O = 0,1231
= 0,1231 kgO 2
S = 0,0 = kgO 2
Udara yang dibutuhkan:
Karena  1  kg  udara  mengandung  0,233 kgO 2 ,  sehingga  udara  teoritis  yang dibutuhkan:
U og  = =  8,001  kg
udara
Rasio 20 % Kelebihan Udara:
= 8,00 +
= 9,60 kg udara/ kg bahan bakar
4.2.2. Jumlah Gas Asap ( Flue Gas)
G teo = 12,435 C + 35,483 +
1,125.O + 5,31.S + W + N =  12,435  (0,5131)  +  35,483
+  1,125  (0,1231)  +
8,531
+ 0,14 + 0,0093
= 6,38 + 1,065 + 0,1384 +0,5131+ 0,14 + 0,0093
=  7,7858  kg  gas  asap  /  kg  bahan bakar
G gas = G teo + η ( teo) teo =  11,467  C  +  34,48 + 4.31. S
= 11,467 . 0,5131+ 34,48 + 4.31. 0,01 = 5,8837 + 1,0348 + 0,0431 = 6,9616
Jika, λ  = 1,2  < ( teo)
= 7,7858 + 1,2 (6,9616)
= 7,7858 + 8,354
=  16,139  kg  gas  asap/kg  bahan bakar
Kalor yang dihasilkan dalam pembakaran 1  kg  bahan  bakar  =  kalor  gas  asap  1  kg bahan bakar.
q pembakaran = q gas asap Dimana:
Eff ketel (η) = 90,00 %
Penyinaran  pada  dinding  ketel = 30,00 %
Cp gas asap = 0,265 kcal/kg 0 C
Maka:
q pembakaran  = q gas asap Sehingga:
q pembakaran   = q gas asap
0,7  x  0,90 x  10.166,74 =  16,139  x  0,265 (t api – 30) 6625,54 = 3,947 (t api -30) t api = (6625,54 x 73,947) +30
t api = 1.420,00 0 C Temperatur ruang bakar =  1.420,00
0 C 3
4.2.3. Pemakaian Bahan Bakar Pemakaian bahan bakar tiap jam:
B = (Jackson, James, J., 2012)
Dimana:
G =  Kapasitas  uap  yang dihasilkan = 10.000,00 kg/jam h a = Entalphi air masuk = 80,00 kcal/kg h a =  Entalphi  steam  keluar
= 773,83 kcal/kg
η = Efisiensi boiler
= 90%
q = Nilai pembakaran = 5.300,00 kcal/jam
Maka:
B =
=
= 1.617,00 kg/jam

## V. Kesimpulan Dan Saran
5.1 Kesimpulan
Ketel  uap  kapasitas  10  ton/jam,  dengan data-data sebagai berikut:
Kapasitas = 10,00 ton uap/jam Tekanan = 25,00 kg/cm 2
Temperatur uap keluar superheat = 400,00 0 C
Bahan bakar = Batubara Nilai pembakaran = 5.300,00 kcal/kg
Hasil Penelitian:
- Temperature  air  pengisi  masuk ekonomiser = 80,00 0 C
- Temperature ruang bakar  =  1.420,00
0 C
- Pemakaian  bahan  bakar  tiap  jam  = 1.617,00 kg/jam
- Kalor  yang  diterima  =  6.938.300,00 kcal/k
- Temperature air keluar ekonomiser =
170,00 0 C
- Luas panas ekonomiser = 157,90 m 2 - Tebal pipa ekonomiser = 2,41 mm
- Jumlah pipa ekonomiser  = 84,00 bh
- Tebal pipa-pipa air = 2,75 mm
- Tebal pipa air pengumpul = 5,88 mm
- Luas panas pipa air = 94,60 m 2 - Jumlah pipa air = 182,00 bh
- Tebal plat boiler drum = 22,40 mm - Tebal tutup boiler drum  =26,50 mm
- Tebal pipa superheat = 2,260 mm
- Jumlah pipa superheat = 68,00 bh
- Luas panas superheat = 84,20 m 2 - Total luas panas boiler = 336,70 m 2
- Kebutuhan  udara  pembakaran  setiap jam = 9,6012 kg/bhn bkr
- Panas yang diserap oleh boiler  = 8.672.875 kcal/jam
5.2 Saran
Suatu ketel uap ditentukan dari pemeliharaan  secara  rutin/berkala  sesuai dengan jadwal  yang telah ditentukan dari masing-masing  jenis  ketel  uap  sesuai dengan  rekomendasi  pabrik  pembuatnya seperti  bahan  material,  peralatan  bantu, sensor  penggeraknya,  dan  aksesoris lainnya  agar  dapat  bekerja  sesuai  dengan
standar  yang  telah  ditentukan,  misalnya: tekanan  uap,  ketinggian  air  dalam  drum, temperatur uap yang dihasilkan yaitu uap superheat,  tekanan  udara  masuk  dapur (pada blower hisap  dan blower udara tekan) dan sebagainya.

## DAFTAR PUSTAKA
Brown  AT  &  Marco  SM,  2012. Introduction  Heat  Transfer ,  Hill Book Company, New York.
Direktorat  Jendral  Listrik  dan  Energi Baru  Departement  Pertambangan dan  Energi, Audit  Energi  Sektor Industri, 2014, Buku I, Jakarta.
Djoko Setyardjo MJ., 2014. Pembahasan Lebih  Lanjut  Tentang  Ketel  Uap, Pradya Paramita, Jakarta.
Djoko  Setyardjo  MJ.,  2013. Ketel  Uap ,
Pradya Paramita, Jakarta. National Energy Conservation Center. COGENERATION,
Islamabad, Pakistan Jackson,  James,  J.,  2012, Steam Boiler  Operation, McGraw-Hill Book Company, New York.
Introduction to Heat Transfer, 2012. A.T.
Brown  &  S.M.  Marco  Mc  Graw- Hill Book Company, New York. Wakil M.M.EL, 2012. Intalasi Pembangkit  Daya  I,  Penerbit Pradya Paramita, Jakarta.