## SINERGI Polmed : JURNAL ILMIAH TEKNIK MESIN
Homepage jurnal: http://ojs.polmed.ac.id/index.php/Sinergi/index

## MODIFIKASI  BOILER  KAPASITAS  25  KG/JAM  TEKANAN  4  BAR DENGAN MEMPERBESAR BIDANG LUAS PEMANAS
Armando Sipayung a , Arnold Pakpahan a , Demetrius Hanopan Tambunan a* , Yudha Tarigan a
a Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan, Jl. Almamater No.1, Padang Bulan, Kec. Medan Baru, Medan, Sumatera Utara 20155, Indonesia *Corresponding authors at: demetriustambunan@students.polmed.ac .id (Tambunan, D.H) Tel: +6282-274-637-584
I N F O A R T I K E L

## Riwayat artikel:
Diajukan pada 09 Mei 2023 Direvisi pada 12 Juni 2023 Disetujui pada 07 Juli 2023 Tersedia daring pada 15 Agustus 2023
Kata kunci:
Ketel uap, uap, liquefied petroleum gas (LPG), Efisiensi
Keywords: Boiler, steam, liquefied petroleum gas (LPG) , efficiency.
A B S T R A K
Ketel  uap  adalah  penghasil uap. ketel  uap  dibagi  kedalam  dua kelompok besar  yaitu, ketel pipa api dan ketel pipa air. Masing – masing ketel tersebut juga bervariasi bentuk dan  ukurannya,  tetapi  memiliki  fungsi  yang  sama  sebagai  penghasil  uap.  Hal  yang penting  menghasilkan  uap  adalah  kemampuan  perpindahan  panas  material  yang digunakan  sebagai  penghantar panas  untuk pemanasan dan penguapan  atau  evavorasi didalam  ketel  itu  sendiri.  Ada  tiga  jenis  perpindahan  panas  pada  ketel  yaitu,  secara radiasi,  konveksi  dan  konduksi.  Perpindahan  panas  terjadi  pada  dapur  pembakaran, sedangkan  konveksi  terjadi  pada  aliran  fluida  gas  panas  dan  fluida  kerja  atau  yang menerima  panas,  kemudian  secara  konduksi  terjadi  pada  metal  material  diantara  gas panas sebagai sumber energi panas dan fluida kerja cair sebagai penerima transfer panas yang  bertujuan  melaksanakan  penguapam  atau  evaporasi.  Dalam  laporan  akhir  ini dilakakukan  perhitungan  efisiensi  steam  boiler  mini.  Uap  aktual yang  dihasilkan  dari Mini Boiler ini sebesar 25 kg/jam, konsumsi bahan bakar 2,032 kg/jam, Tekanan rata – rata 3,00 bar gauge. Bahan bakar yang digunakan adalah bahan bakar LPG dengan HHV sebesar 47111,8kJ/kg. Temperatur rata – rata gas buang 248,2°C. Efisiensi thermal ketel uap adalah sebesar 68,81 %.
A B S T R A C T
A steam boiler is a type of steam generator. Steam boilers are classified into two types: fire tube boilers and water tube boilers. These boilers vary in shape and size, but provide the same function as a steam generator. The heat transfer ability of the material used as a  heat  conductor  for  heating  and  evaporation  or  evaporation  in  the  boiler  itself  is essential  when  generating  steam.  In  the  boiler,  heat  is  transferred  in  three  ways: radiation, convection, and conduction. While convection takes place in the flow of hot gas  and  working  fluids  or  those  that  receive  heat,  conductivity  occurs  in  the  metal material between the hot gas as a source of heat energy and the liquid working fluid as a heat transfer receiver aimed to carry out evaporation or evaporation. evaporation. A micro steam boiler performance calculation is performed in this final report. This Mini Boiler provides 25 kg/hour of steam, requires 2,032 kg/hour of fuel, and has an average pressure of 3.00 bar gauge. LPG with an HHV of 47111.8 kJ/kg is utilized as fuel. The average temperature of the exhaust gases is 248.2°C. The steam produced by the boiler has a heating efficiency of 68.81%.

## 1. PENGANTAR
Ketel uap ( boiler ) adalah alat untuk menghasilkan uap air , yang akan digunakan untuk pemanasan atau tenaga gerak. Bahan bakar pendidih  bermacam-macam  dari  yang  popular batubara dan  minyak  bakar,  sampai listrik ,  gas,  biomasa,  nuklir  dan  lain-lain.  Pendidih merupakan bagian terpenting dari penemuan mesin uap yang merupakan pemicu lahirnya revolusi industri . Ketel uap digunakan untuk membuat pulp atau kertas, penggerak turbin uap yang menghasilkan listrik alat pemanas, penguap cairan dan kegunaan lainnya. Ketel uap juga digunakan sebagai alat pemanas, penguap cairan dan kegunaan lainnya (Darwin Sitompul, 1996; Muin A. Syamsir, 1993). Demikian luasnya  peranan  dan  kegunaan  ketel  uap,  sehingga  tanpa  adanya  ketel  uap  suatu  pabrik  atau  industri  tidak  dapat  beroperasi  dengan sempurna. Ketel uap pipa air mini kapasitas 20 kg/jam uap ini dirancang dengan tekanan 4 bar. Kemudian telah dimodifikasi menjadi 25 kg/jam dengan tekanan yang sama yaitu 4 bar.

## 1.1 Ketel Uap
Ketel uap adalah suatu bejana/wadah yang di dalamnya berisi air atau fluida lain untuk dipanaskan (Djokosetyardjo, M.J., 2016). Energi panas dari  fluida  tersebut selanjutnya  digunakan  untuk berbagai  macam keperluan,  seperti  untuk  turbin  uap,  pemanas  ruangan, mesin uap, dan lain sebagainya. Ketel uap memiliki fungsi untuk mengkonversi energi kimia yang tersimpan di dalam bahan bakar menjadi energi panas yang ditransfer ke fluida kerja (Rizky Agustira dkk., 2017). Ketel uap diklasifikasikan kedalam dua kelompok, yaitu ketel uap pipa api ( fire tube boiler ) dan ketel uap pipa air ( water tube boiler ). Ketel uap pipa air banyak dipakai untuk kebutuhan uap skala besar (Desi Aratri Damanik dkk., 2022; Desi Rismawati dkk., 2021; Darwin Sitompul, 1996).

## 1.1.1 Prinsip Kerja Ketel Uap
Prinsip kerja ketel uap kurang lebih mirip dengan panci yang digunakan untuk memasak air, tetapi dengan kapasitas yang jauh lebih besar. Dalam ketel uap air diubah menjadi uap. Panas diserap air dalam ketel uap dan uap yang dihasilkan secara kontinu. Air yang disuplai ke ketel uap untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Air umpan yang dialirkan ke ketel uap untuk meggantikan air dalam boiler yang telah berubah menjadi uap. Ketika uap meninggalkan air yang mendidih, padatan – padatan yang tertinggal menjadi bertambah kepekatannya  dan  bahkan  dapat  mencapai  temperatur  tingkat  dimana  pemekatan  lebih  lanjut  bisa  menyebabkan  terbentuk  kerak  atau deposit didalam ketel uap. Air ketel uap yang kepekatannya tinggi ini harus diganti untuk mencegah terbentuknya kerak didalam ketel uap. Proses ini dikenal sebagai blowdown yang berkelanjutan. Bahan baku yang digunakan untuk membuat  uap adalah air yang baku yang diolah di water treatment dan dialirkan ke feed water tank yang berfungsi sebagai penampung air umpan sebelum dipompakan ke daerator . Air umpan dari feed water tank dialirkan menggunakan pompa ke daerator yang berfungsi untuk menghilangkan kandungan O 2 dan gas– gas  yang  terlarut  didalam  air  umpan.  Air  dari daerator dipompakan  ke  ketel  uap  dengan  melewati economizer yang  bertujuan  untuk menaikkan temperatur air dengan memanfaatkan panas dari gas buang pembakaran ketel uap dan dapat meningkatkan efisiensi ketel uap yang lebih tinggi (Darwin Sitompul, 1996; Muin A. Syamsir, 1993).

## 1.1.2 Klasifikasi Ketel Uap
Klasifikasi  ketel  uap dibagi  menjadi  2 bagian yaitu  (Djokosetyardjo,  M.J.,  2016;  Darwin  Sitompul,  1996;  Muin A.  Syamsir, 1993):
a. Ketel pipa api ( fire tube boiler )
Ketel uap pipa api adalah jenis ketel uap dimana gas panas dari api melewati satu atau lebih tabung berjalan melalui wadah tertutup air. Panas dari gas ditransfer melalui dinding tabung dengan konduksi panas, pemanas air dan akhirnya  mengeluarkan uap (Angky Puspawan dkk, 2016). Ketel pipa api dapat dilihat pada gambar  1 (Djokosetyardjo, M.J., 2016; Darwin Sitompul, 1996; Muin A. Syamsir, 1993).
Gambar 1: Ketel pipa api ( fire tube boiler )
b. Ketel pipa air ( water tube boiler )
Ketel uap pipa air secara umum dalam perkembangannya tampak seperti ketel pipa kecuali bahwa uap air dan tekanan tinggi terletak didalam pipa  – pipa  dan  gas  pembakaran  terletak  diluar.  ketel pipa  air dapat  dilihat  pada  gambar  2  (Djokosetyardjo,  M.J.,  2016; Darwin Sitompul, 1996; Muin A. Syamsir, 1993).
Gambar 2: Ketel pipa air ( water tube boiler )

## 1.1.3 Komponen Utama Ketel Uap
Komponen utama dari ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut (Djokosetyardjo, M.J., 2016; Darwin Sitompul, 1996; Muin A. Syamsir, 1993):
a. Dapur ketel (ruang bakar)
Suatu ruang yang digunakan untuk menghasilkan panas dari suatu bahan bakar yang membentuk uap di dalam ketel uapnya. Dinding – dinding tungku ini dikelilingi oleh pipa – pipa air, sehingga digunakan pada ketel – ketel pipa air yang akan berubah menjadi uap saat dipanaskan selama proses pembakaran.

## b. Pipa water wall
Fungsinya untuk menyerap panas dan gas asap dari hasil pembakaran bahan bakar. Pada pipa ini terdapat air yang menyerap panas sehingga temperaturnya naik, berat jenisnya berkurang, maka terjadilah sirkulasi. Perpindahan panas ini berlangsung secara radiasi. Air yang keluar dari water wall diharapkan berbentuk uap jenuh.
c. Drum ketel
Drum ketel adalah pusat sirkulasi air dan uap, dimana didalamnya terdapat separator untuk memisahkan antara air dan uap. Pada ketel uap terdapat drum atas ( upper drum ) dan drum bawah ( lower drum ). Level pada drum ini diatur oleh pipa – pipa down comer dan pipa – pipa back pass , dimana level itu bertujuan untuk mencegah terjadinya kebocoran dan pecahnya dinding sebelah atas, karena dinding sebelah atas berbatasan dengan uap dan akan lebih banyak memuai.
d. Pipa superheater
Pipa ini berfungsi untuk menghasilkan uap yang memiliki kandungan air yang lebih rendah, sehingga uap yang dihasilkan tersebut menjadi lebih baik dalam pemanfaatannya karena memiliki daya yang lebih besar dan entalphy yang lebih tinggi, seperti untuk drum atas seperti untuk memutar turbin uap. Uap pada pipa superheater ini dialirkan dari drum atas untuk dipanaskan lagi dan ditampung dalam header superheater untuk dialirkan ke pipa induk.
e. Economizer
Economizer merupakan suatu alat penukar kalor yang berfungsi sebagai pemanas awal karena menaikkan suhu air umpan yang akan masuk  ke  ketel.  Panas  yang  digunakan  biasanya  berasal  dari  gas  buang  hasil  pembakatan  bahan  bakar.  Dengan  menggunukan economizer diperoleh  penghematan  bahan  bakar  yang  berarti  juga  memperkecil  panas  dibuang  sehingga  meningkatkan  efisiensi sIstem.
f. Blower
Blower hembus  berfungsi  untuk  menekan  udara  pembakaran  kedalam  dapur  untuk  keperluan  udara  pembakaran.  Disamping mensuplai udara untuk pembakaran, bahan bakar blower juga berfungsi sebagai pendingin voster dan penyebaran bahan bakar.
g. Cerobong asap
Cerobong asap berfungsi untk mempermudah pembuangan gas asap sehingga pembuangan gas asap lebih sempurna. Dalam hal ini gas asap hasil pembuangan bahan bakar harus dibuang agar pembakaran dapat berlangsung baik. Cerobong asap ini juga berfungsi untuk membuang abu, serta sisa hasil pembakaran sehingga polusi pada ketel uap berkurang. Untuk dapat membuang gas asap dan sisa tersebut, cerobong asap menggunakan tarikan yang dihasilkan blower isap atau sistem tarikan uap ( indrive drive fan ) yaitu dengan menghisap gas asap dari ruang pembakaran dan menekannya kedalam cerobong asap untuk dibuang ke udara luar.

## 1.1.4 Komponen Pendukung Ketel Uap
Komponen pendukung ketel uap dapat diklasifikasikan sebagai berikut (Djokosetyardjo, M.J., 2016; Darwin Sitompul, 1996; Muin A. Syamsir, 1993):
a. Force draft fan (FDF)
FDF berfungsi untuk menjaga kualitas nyala api. FDF berfungsi sebagai filter udara yang masuk kedalam ruang bakar sehingga terhindar dari benda asing dari lingkungan.

## b. Katup pengaman ( safety valve )
Katup pengaman ini berfungsi mengurangi tekanan pada sistem drum agar tidak melebihi tekanan kerja yang diinginkan atau telah di setting.
c. Manometer pengukur tekanan uap Manometer ini digunakan untuk mengetahui besarnya tekanan didalam ruangan uap sehingga kita dapat mengetahui besarnya tekanan uap yang ada dalam boiler.
d. Gelas penduga Alat ini berfungsi untuk melihat level pada drum ketel. Peralatan ini sangat penting dan harus beroperasi dengan baik. Peralatan ini harus rutin diperiksa selama ketel uap beroperasi.
e. Alarm
Berfungsi untuk memperingatkan operator akan kondisi level air pada drum. Alat ini akan berbunyi bila kondisi air pada drum kurang atau berlebih, karena alarm dihubungkan dengan sensor level air yang berada pada drum atas.
f. Dearator
Dearator letaknya berada diluar ketel uap. Dearator atau pemanas awal berfungsi untuk menghilangkan gas – gas terlarut dalam air umpan ketel uap terutama oksigen.
g. Keran uap induk
Keran ini berfungsi sebagai katup penghubung antara ruang uap dalam ketel uap yang bertekanan tinggi dengan ruang bakar mesin (turbin uap), karena itu harus dipasang sedekat mungkin dengan badan boiler guna pengamanan.

## 1.1.5 Proses Pembentukan Uap
Penguapan adalah proses terjadinya perubahan fasa dari cairan menjadi uap. Apabila panas yang diberikan pada air, maka suhu air akan naik. Naiknya suhu air akan meningkatkan kecepatan gerak molekul air. Jika panas terus bertambah secara perlahan – lahan maka kecepatan gerak air akan semakin meningkat pula, hingga sampai pada suatu titik dimana molekul – molekul air akan mampu melepaskan diri dari lingkungannya (100%) pada tekanan 1 kg/cm 2 , maka air secara berangsur – angsur akan berubah menjadi fasa menjadi uap dan hal inilah yang disebut penguapan. Pembentukan uap pada ketel uap, udara masuk dan bahan bakar dimasukkan kedalam dan terjadi proses pembakaran.  Gas  –  gas  hasil  pembakaran  akan  melewati evaporator , superheater , air heater , dan  akhirnya  akan dibuang ke  atmosfer melalui cerobong asap. Sedangkan air pengisi, seteleh mengalami pemanasan pada daerator , lalu dimasukkan kedalam evaporator dan selanjutnya  uap  jenuh  akan  dipanaskan  lanjut  pada  alat  yang  dinamakan  superheater  dan  akhirnya  diperoleh  uap  panas  lanjut  ata u superheated steam (Nizya Mukti Pratama dkk, 2021; Muhammad Shofiudin dan Dony Hidayat Al-Janan, 2018; Jhonas Purba, 2016).

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1 Performansi Luas Permukaan Perpindahan Panas
Drum-drum ketel dan pipa-pipa dipasang dengan menghubungkan drum atas ( upper drum ) dengan drum bawah ( lower drum ) oleh pipa-pipa. Drum-drum dan pipa-pipa ini menjadi bagian-bagian permukaan perpindahan panas adalah tempat air dipanaskan dengan gas asap yang mengalir melalui permukaan drum atas, drum bawah  dan pipa-pipa tersebut. Pipa-pipa juga merupakan saluran sirkulasi air turun ke drum bawah dan gelembung-gelembung uap.naik ke drum atas karena perbedaan density atau berat jenis (Yolanda Jacqueline Lewerissa, 2018; Cristian Tallu Karaeng, 2013).

## 2.1.1 Luas bidang permukaan
Untuk modifikasi ini ditambahkan pipa-pipa sebanyak 8 pipa (masing-masing 4 pada kompartemen 1 dan 4 pada kompartemen 2), dan panjang L = 40 cm, maka total A 4 menjadi 2 kali, A 4 = 2 × 0,0638048 m 2 = 0,1276096 m 2 . Untuk menghitung luas bidang permukaan dapat dihitung dengan persamaan 1 (Desi Aratri Damanik, 2022; Desi Rismawati, 2021; Ochtafian Wahyu Irawan, 2021):
A =  π  × d × L (1)

## 2.1.2 Efisiensi ketel uap
Performansi ketel uap dapat dihitung dengan menghitung efisiensinya. Semakin besar efisiensi dari suatu ketel uap, maka dapat dipastikan ketel tersebut memiliki performansi yang baik. Untuk menghitung efisiensi ketel uap dapat dihitung dengan persamaan 2 berikut (Desi Aratri Damanik, 2022; Desi Rismawati, 2021; Ochtafian Wahyu Irawan, 2021):
ƞ B = Q eva Q bb = ṁ u (h u −h a ) ṁ bb .HVV x 100%
(2)
Q eva
= Panas penguapann/eveporasi (kJ/dtk) Q bb
= Jumlah suplai panas pembakaran (kJ/kg)
ṁ u
= Kapasitas aliran uap atau kapasitas ketel uap (25 kg/jam)
h u
= Entalpi spesifik uap saturasi (kJ/kg)
h a
= Entalpi spesifik supali air (kJ/kg)
ṁ bb = Konsumsi bahan bakar (kg/dtk)
HHV = nilai pembakaran LPG (kJ/kg)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Data Ketel Uap Mini
Modifikasi ketel pipa air mini dilakukan dengan penambahan luas permukaan bidang perpindahan panas dengan menambah jumlah pipa-pipa air dari total 22 pipa menjadi 30 pipa atau penambahan 8 pipa yang panjangnya 40 cm, jadi spesifikasi ketel uap mini memiliki kandungan energi = 11254,61 kkal/kg ditunjukkan pada tabel 1.
Tabel 1 : Data ketel uap mini
Deskripsi Spesifikasi Peralatan : Ketel Pipa Air Mini Kapasitas uap : 25 kg/jam Tekanan uap : 4 Bar (abs) ( steady-state ) Bahan bakar : LPG Nilai Kalor LPG : 11254,61 kkal/kg (47111,8 kJ/kg) Kondisi suplai air : 28 0 C (Normal) Efisiensi ketel uap : 70% (dirancang dan dikalkulasi)

## 3.2 Kebutuhan Bahan Bakar
Tekanan uap yang diproduksi steam boiler mini ketel pipa air adalah tekanan absolut, p = 4 bar abs (p = 3 barg). Oleh karena itu dari tabel uap (tabel uap terlampir) diperoleh besaran entalpi spesifik pada tekanan 4 bar abs dan kondisi saturasi ( steady-state ) atau kondisi teoritis ideal yaitu h u = h g = 2739 kJ/kg. Temperatur suplai air umpan ketel ada temperatur normal pada 28 o C, maka diperoleh entalpi spesifiknya h a = h f = 117,3 kJ/kg. Kapasitas uap yang dihasilkan ketel uap menggunakan persamaan adalah (Desi Aratri Damanik, 2022; Desi Rismawati, 2021; Ochtafian Wahyu Irawan, 2021):
Q̇ uap = 25 kg 3600 detik
(3)
Maka kebutuhan bahan bakar dapat dihitung dengan rumus:
ṁ bb = 25  (2739−117,3) 0,7 x 47111,8 = 0,000551 kg/dtk = 1,98385 kg/jam.

## 3.3 Bahan Bakar Boiler
Bahan bakar yang digunakan untuk ketel pipa air mini adalah memakai bahan bakar LPG atau gas alam yang dicairkan. LPG ini menjadi bahan bakar untuk keperluan sehari-hari setiap rumah dalam masyarakat dengan harga terjangkau. Bahan bakar LPG mengandung sedikitnya 90% propana , dengan campuran sejumlah kecil propana, butana dan butena (Standard HDS) dengan karakteristik pada tabel 2.
Tabel 2 : Karakteristik Bahan Bakar Ketel Uap Parameter Nilai Titik nyala -104 o C Ambang ledakan 2,37 – 9,5 % Kapasitas kalor 73,60 J/kmol Entalpi pembakaran 2,2197-2,2187 MJ/mol = 2219,7 – 2218,7 kJ/mol
Komposisi bahan bakar LPG yang diproduksi dan dipasarkan oleh PT. Pertamina ke masyarakat adalah 50% Propana (C 3 H 8 ) dan 50% Butana (C 4 H 10 ) secara massa. Jadi untuk jumlah bahan bakar LPG sebesar 1,98395 kg/jam, maka jumlah masing-masing komposisi LPG adalah propana (C 3 H 8 )  =  0,50  ×  1,98395  kg=  0,991975  kg  dan  butana  (C 4 H 10 )=  0,50  ×  1,98395kg  =  0,991975  kg.  Besarnya kebutuhan oksigen dan kebutuhan udara pembakaran serta juga menentukan jumlah gas asap, dan untuk memastikan terjadinya pembakaran sempurna ( completed combustion ) maka untuk pengoperasian ketel pipa air mini ini digunakan jumlah udara berlebih ( excess air ) sebanyak 25% dan selanjutnya bisa dihitung dengan membuat reaksi pembakaran.
3.4 Luas Permukaan Bidang Pemanas
: JURNAL ILMIAH TEKNIK MESIN VOL 04 NO 02 (2023) 35–44
Drum-drum ketel dan pipa-pipa dipasang dengan menghubungkan drum atas ( upper drum ) dengan drum bawah ( lower drum ) oleh pipa-pipa. Drum-drum dan pipa-pipa ini menjadi bagian-bagian permukaan perpindahan panas adalah tempat air dipanaskan dengan gas asap yang mengalir melalui permukaan drum atas, drum bawah dan pipa-pipa tersebut. Pipa-pipa juga merupakan saluran sirkulasi air turun ke drum bawah dan gelembung-gelembung uap.naik ke drum atas karena perbedaan density atau berat jenis, yang disebut sirkulasi alam. Skematis dasar ketel pipa air dapat dilihat pada gambar 3 dan gambar skematis aliran fluida kerja dan perpindahan panas dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar 3: Diagram dasar ketel pipa air
Gambar 4: Aliran fluida kerja dan perpindahan panas
Drum ini dirancang dengan ketel pipa air mini kapasitas 20 kg/jam yaitu panjang drum = 0,5 m dan diameter drum = 0,254 m. Posisi  drum  horizontal  dan  posisinya  di  atas  sehingga  disebut  drum  atas,  dengan  keadaan  2/3  dari  tinggi  drum  berisi  air,  sedangkan selebihnya berisi uap. Dalam hal ini air hanya boleh sedikit lebih tinggi atau sedikit lebih rendah dari 2/3 tinggi (diameter) drum. Bahan drum adalah stainless steel , dengan allowable working stress 8000 psi pada temperatur 650 ℉ dan dibawahnya. Gambar 5 ketel pipa air dapat dilihat pada gambar 5 berikut.
Gambar 5 : Ketel pipa air
Untuk perancangan drum atas uap ketel uap pipa air ini, maka level air adalah 2/3 diameter drum, dimana 1/3 diameter bagian atas merupakan daerah pengumpulan produksi uap sebagai hasil evaporasi.
Jumlah pipa-pipa dengan diameter nominal 1/4” adalah 22 pipa dengan bahan stainless steel SS304 dengan kekuatan tarik atau tensile strength yield 2150 kg/cm 2 , panjang masing-masing berbeda dan terpasang 1 drum bawah dan 1 drum atas dengan masing-masing diameter 3” dan 10” dengan panjang yang sama adalah 0,5 m, maka luas perpindahan panas dan volume aktual  ketel uap pipa air mini sebelum penambahan pipa-pipa terdapat pada tabel 3.
Tabel 3 : Data perancangan modifikasi ketel uap mini Paramater modifikasi Nilai Drum atas A 1 = π ×d × L, V = Volume= 0,3925 m 2 , V 1 = 0,02532253 m 3 Drum bawah A 2 = 0,119634 m 2 V 2 = 0,002279 m 3
Pipa L = 70 cm dan 8 pipa A 3 = 0,1116584 m 2 V 3 = 0,00017726 m 3
Pipa L = 40 cm dan 4 pipa A 4 = 0,0638048 m 2 V 4 = 0,0001013 m 3
Pipa L = 25 cm dan 4 pipa A 5 = 0,019939 m 2 V5 = 0,00000316 m 3
Pipa L = 52 cm dan 2 pipa
A 6 = 0,02073656 m 2 V 6 = 0,000003292 m 3
Untuk modifikasi ini ditambahkan pipa-pipa sebanyak 8 pipa (masing-masing 4 pada kompartemen 1 dan 4 pada kompartemen 2), dan panjang L = 40 cm, maka total A4 menjadi 2 kali, A4 = 2 × 0,0638048 m2 = 0,1276096 m 2 . Luas bidang permukaan perpindahan panas pada kompartemen 1 dengan jumlah pipa panjang 70 cm sebanyak 4 pipa, panjang 40 cm sebanyak 8 pipa, dan setengah drum atas serta setengah drum bawah, maka luas bidang permukaan setelah penambahan 8 pipa ini sebagai berikut:
AI = ½ A1 + ½ A2 + ½ A3 + ½ A4
= ½ (0,39878) + ½ (0,119634) + ½ (0,1116584) + ½ (0,1276096)
= 0,378841 m2
Luas bidang permukaan perpindahan panas pada kompartemen 2 dengan jumlah pipa panjang 70 cm sebanyak 4 pipa, panjang 40 cm sebanyak 8 pipa, panjang 25 cm sebanyak 4 pipa, panjang 52 cm sebanyak 2 pipa dan setengah drum atas serta setengah drum bawah, maka luas bidang permukaan setelah penambahan 8 pipa ini menggunakan persamaan 4 sebagai berikut:
AII = ½ A1 + ½ A2 + ½ A3 + ½ A4 + A5 + A6 (4) AII = ½ (0,39878) + ½ (0,119634) + ½ (0,1116584) + ½ (0,1276096) + 0,019939 + 0,02073656 AII = 0,41951656 m 2
Total Luas bidang permukaan perpindahan panas adalah A = AI + AII = 0,79835756 m 2 . Volume aktual drum atas adalah 25,3 liter dan total volume aktual internal ketel uap adalah 0,02799 m 3 (= 28 Liter)

## 3.5 Pembahasan

## 3.5.1 Temperatur Pembakaran
Untuk  menentukan  temperatur  pembakaran  dalam  dapur  atau  ruang  bakar,  maka  dapat  diperoleh  melalui  persamaan kesetimbangan  energi.  Jika  proses  pembakaran  berlangsung  pada  kondisi-kondisi  standard,  maka  energi  panas  yang  dilepaskan  dapat diperoleh secara langsung dari panas pembakaran standard itu sendiri. Besarnya temperatur nyala api ini diperlukan untuk perancangan ruang  bakar  atau  dapur  boiler  dan  bagian-bagian  lainnya  dengan  cara  perpindahan  panas  dari  pembakarannya  tersebut.  Temperatur pembakaran teoritis dapat diperoleh dari persamaan kesetimbangan energi dalam dapur nyala api. Persamaan 5 yaitu kesetimbangan energi sebagai berikut (Darwin Sitompul, 1996):
∑ n j j (Q 0 ′ ) j = ∑ m i MW i i (C̅ p ) m.i (T exit − T 0 ) − m a MW a (C̅ p ) m.a (T a − T 0 ) (5)
Q’ 0 = Panas pembakaran masing-masing komponen bahan bakar per kg (kJ)
(C̅ P ) m.i = Panas spesifik molal rata-rata produk i antara T 0 dan T keluar (kJ/kmol. o C) (C̅ P ) m.a = Panas spesifik molal rata-rata udara antara T udara dan T 0 (kJ/kmol. o C) m a = Massa  udara yang ditambahkan dengan m f kilogram bahan bakar m i = Massa komponen i yang ada dalam produk gas per m f kilogram  bahan bakar (kg) MW a , MW i = Berat molekular dari bahan bakar, udara dan komponen i berturut-turut (kmol)
Harga panas spesifik molal rata-rata (tabel 4) untuk berbagai gas umum yang terkandung dalam produk pembakaran (relatif ke-0 o C)
Tabel 4 : Panas spesifik mol rata-rata
Komponen Gas
b
(C̅p) m H 2 O (C̅p) = 8.361 + 4.92  × 10 −4 T ′ + 4.46 × 10 −7 (T ′ ) 2
m.i
CO 2 , SO 2 , dan gas-gas triatomik lain
(C̅p) = 9.082 + 2.4  × 10 −3 T ′ − 2.77 × 10 −7 (T ′ ) 2
m.i
N 2 , O 2 , CO dan gas-gas diatomik lain
(C̅p) = 6.935 + 3.38  × 10 −4 T ′ + 0.43 × 10 −7 (T ′ ) 2 m.i
Konstanta tersebut diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan untuk panas spesifik ( Bureau of Mines Technical Paper 445. 1929 ) . Integral harga panas spesifik rata-rata untuk komponen i tersebut dalam range temperatur (T’ – T 0 ) pada persamaan 6 dan persamaan 7 (Darwin Sitompul, 1996):
C̅ Pi = ∫ C Pi dT T′ T0 T ′ −T 0
(6)
(C̅ p ) m.i = rata-rata kapasitas panas molal dari 0 hingga T’ o C (cal/g mol . o C).
T a = T 0 disederhanakan menjadi persamaan 7
∑ n j j (Q 0 ′ ) j = ∑ m i MW i i (C̅ p ) m.i (T exit − T 0 ) (7)

## 3.5.2 Variabel Tetap Tekanan dan Performansi
Pengujian pengoperasian ketel uap mini untuk tekanan dijaga konstan dan pencatatan dilaksanakan setiap 20 menit dan 10 menit kemudian  setiap  satu  jam  dicatat  jumlah  pemakaian/konsumsi  bahan  bakar  LPG  dan  jumlah  kondensat  yang  dikumpulkan.  Pengujian diteruskan selama 5 hari berturut-turut atau sebanyak 5 kali yang semuanya ditunjukkan pada tabel 5.
Tabel 5 : Peformansi pengujian ketel uap mini
Waktu Temp. Air (oC) Tekanan (Barg) Konsumsi LPG (kg) Jumlah Kondensat (kg) Temp Gas Buang ( o C) Gauge Absolut 14:00 27 3,26 4,26 28,5 0 256 14:20 28 3,00 4,00 26,44 24,2 254 14:40 28 2.96 3,96 24,80 24,2 248 14:50 28 2,98 3,98 24,22 25,6 250 15:00 28 3,05 4,05 26,44 24,2 250 Rata-rata 28 3,05 4,05 2,06 251,6

## 3.5.3 Perhitungan Efisiensi Ketel pipa Air Mini
Pengujian ketel uap mini sebelum dimodifikasi ditunjukkan pada tabel 6.
Tabel 6 : Efisiensi sebelum modifikasi ketel uap mini
Waktu Temp. air ( o C) Tekanan Uap (Barg) Konsumsi LPG (kg) Jumlah Kondensat (kg) Temp Gas Buang ( o C) Efisiensi (%) 14:00 28 2,96 1,20 14,0 252 64,9 14:20 28 3,00 1,25 14,8 253,6 65,96 14:40 28 3,00 1,30 14,2 255,5 60,86 14:50 28 3,00 1,15 14,6 239,6 70,73 15:00 28 3,03 1,20 13,8 259 64,07 Rata-rata 28 3,01 1,22 14,3 251,9 65,3 Tekanan uap p = 3 bar = 4 bar abs ( steady-state : saturasi)
Kapasitas, ṁ u = 14,3 kg/jam Pemakaian LPG ṁ bb = 1,22 kg/jam Efisiensi, ƞ Boiler = 65,3%
Pengujian ketel uap mini sebelum dimodifikasi ditunjukkan pada tabel 7 berikut
Tabel 7 : Efisiensi seteleh modifikasi ketel uap mini
Tanggal Temp. air ( o C) Tekanan Uap (Barg) Konsumsi LPG (kg) Jumlah Kondensat (kg) Temperatur Gas Buang ( o C) Efisiensi (%) 15 Juni 2022 28 3,05 2,06 24,2 252 65,16 16 Juni 2022 28 3,00 2,20 24,8 243 62,53 17 Juni 2022 28 2,98 1,98 25,6 255 71,72 18 Juni 2022 28 3,00 1,96 26,4 239 74,71 18 Juni 2022 28 2,97 1,96 24,6 252 69,62 Rata-rata: 28 3,00 2,032 25,12 248,2 68,81% Tekanan uap p = 3 barg = 4 bar abs ( steady-state : saturasi) Kapasitas ṁ u = 25,12 kg/jam Pemakaian LPG ṁ bb = 2,032 kg/jam
Efisiensi operasi aktual dapat dihitung dengan persamaan 8 sebagai berikut
ƞ Boiler = ṁ u (h u −h a ) ṁ bb .HHV (8)
ƞ boiler = 25,12  (2739−117,3) 2,032 𝑥  47111,8 x 100%
ƞ boiler 68,81%
Modifikasi steam  boiler atau  ketel  penambahan  luas  bidang  permukaan  perpindahan  panas  maka  dapat  meningkat  kapasitas produksi uap 25 kg/jam dan efisiensi mencapai 68,81%, sedikit lebih rendah dari hasil penetapan rancangan 70%.

## 4. KESIMPULAN
Penambahan luas bidang pemanas boiler maka jumlah bahan bakar yang dibutuhkan ketel uap pipa air mini selama pengoperasian 1 jam adalah 2,032 kg dengan hasil kondensat 25,12 kg pada suhu gas buang rata  - rata sebesar 248,2 ℃ dan tekanan rata – rata 3 barg. Maka diperoleh efisiensi sebesar 68,81% meningkat dari rancangan terdahulu dimana efisiensi hanya 65,3% dengan kondensat 14,3 kg/jam. Panas  pembakaran  bahan  bakar  sangat  mempengaruhi  efisiensi  dikarenakan  campuran  udara  dan  bahan  bakar  yang  mempengaruhi efisiensi.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan rasa syukur karena berkat dan rahmat Yang Maha Kuasa penulis dapat menyelesaikan artikel ini, serta terima kasih kepada Program Studi Teknik Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin yang memberikan dukungan dalam menyelesaikan artikel ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Agustira, R., Razi, M., & Syukran. (2017). Rancang Bangun Boiler Vertikal Fire Tube Berbahan Gas Elpiji Untuk Proses Penyulingan Minyak Nilam. Jurnal Mesin Sains Terapan 1 , 57-60.
Damanik, D.A., Simanjuntak, J.K., Sinaga, H.H, Simangunsong, K.A., Silitonga, L.C., Nainggolan R., Husin Ibrahim, H., & Alfansuri, M. Purwarupa Miniatur Water Tube Boiler Menggunakan Bahan Bakar Gas Kapasitas Uap 20 kg/jam. Sinergi Polmed: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 3 , 35-42.
Djokosetyardjo M. J.1990. Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap. Jakarta. CV Pradnya Paramita.
Djokosetyardjo, M.J, 2016, Ketel Uap. Jakarta. CV Pelita Kasih.
Effendy, D.A., Sunyoto & Masugino. (2013). Rancang Bangun Boiler Pada Industri Tahu Untuk Proses Pemanasan Sistem Uap Dengan Menggunakan Catia V5. Journal of Mechanical Engineering Learning 2 , 1-7.
El-Wakil, M.M. (1992). Instalasi Pembangkit Daya Jilid 1. Jakarta. Erlangga
Karaeng, C.T., Iswandi, I, Firman, F., & Nuzulm M. (2013). Analisis Kinerja Boiler Pada PLTU Unit 1 PT. Semen Tonasa. Jurnal Teknik Mesin Sinergi 11 , 74-85.
Lewerissa, Y.J. (2018). 1-Analisis Energi Pada Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dengan Cycle Tempo . Jurnal Voering 3 , 1-8.
Muin A. Syamsir, M.A. (1993). Pesawat Konversi Energi 2. Jakarta. CV Rajawali.
Pratama, N.M., Danial, D., & Taufiqurrahman, M. (2021). Analisa Efisiensi Water Tube Boiler dengan Menggunakan Metode Langsung. Jurnal Teknologi Rekayasa Teknik Mesin 2 , 105-1010.
Purba, J. (2016).  Perancangan Boiler Pipa Api Untuk Perebusan Bubur Kedelai  pada Industri Tahu Kapasitas Uap Jenuh 160 Kg/jam.
Jurnal Mahasiswa Teknik UPP 1 , 1-8.
Shofiudin,  M,  &  Al-Janan,  D.H.  (2018).  Perancangan  dan  Validasi  Horizontal Water  Tube  Boiler Industri  Kecil  Tahu  Menggunakan Software Solidworks . Sainteknol: Jurnal Sains dan Teknologi 16 , 189-210.
Sitompul, D. 1996. Prinsip-Prinsip Konversi Energi . CV Erlangga. Jakarta.
Rismawati, D., Ibrahim, H., Sutrisno, J., & Bahri, N. (2021). Analisis Sistem Distribusi Uap dari Water Tube Boiler Dengan Kapasitas 45 Ton/Jam. Sinergi Polmed: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 2 , 37–44.
Wahyu Irawan, O.W., Pratama, L.S., & Insani, C. (2021). Analisis Termodinamika Siklus Pembangkit Listrik Tenaga Uap Kapasitas 1500 kW. Jurnal Teknik Mesin ITI 5 , 109-118.