## LAJU ALIRAN KONDUKSI KONVEKSI MELALUI PIPA API DAN EVAPORATOR PADA KETEL UAP DI PT. PERKEBUNAN NUSANTARA ARSO - JAYAPURA

## Thomas Kbarek
Dosen Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri dan Kebumian Universitas Sains Dan Teknologi Jayapura

## Abstrak
Perpindahan  kalor  ialah  ilmu  yang  mempelajari  tentang  perpindahan  energi  yang terjadi karena perbedaan suhu di antara benda atau material. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi pada api boiler dan evaporator dari boiler.
Penelitian ini dilakukan dengan cara mengamati dan mencatat perubahan temperatur melalui  panel  instrumen  temperatur,  mengukur  diameter  dalam  dan  diameter  luar  pipa  api boiler  serta  mengukur  panjang  pipa.  Hasil  pengambilan  data  lapangan  kemudian  dianalisa untuk mendapatkan data tentang perpindahan panas yang terjadi pada boiler.
Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  perpindahan  kalor  pada  pipa  api  boiler  secara konduksi sebesar 1028,625 Watt, secara konveksi 469,2 Watt. Sedangkan pada evaporator besarnya  panas  uap  superheated  sebesar  2917,6  Watt,    pemanas  sekunder  4917,5  Watt dan pemanas udara sebesar 7095,25 Watt.
Kata kunci : Perpindahan kalor, Konduksi, Konveksi,  pipa api, evaporator, boiler.

## 1.   PENGANTAR
Boiler  berfungsi  sebagai  pesawat  energi  yang mengkonversikan  energi  potensial  dan  bahan  bakar menjadi  energi  panas  yang  melalui  alat  penguap (evaporator).  Pada  pipa  api,  Fluida  yang  mengalir dalam  pipa  adalah  gas  hasil  pembakaran  yang membawa  energi  panas,  yang  segera  mentransfernya ke air ketel melalui bidang pemanas. Fungsi dari pipa api  ini  adalah  untuk  memindahkan  distribusi  aliran panas ke air di dalam ketel.
Sebagai  salah  satu  contoh  penerapan  dan penggunaan  ilmu  perpindahan  panas  adalah  instalasi tenaga  uap  yang  terdiri  dari  :  Boiler,  turbin  uap, kondensor dan pompa.
Boiler  akan  mengubah  air  menjadi  uap bertekanan dan bertemperatur tinggi, uap meninggalkan Boiler menuju turbin kemudian energi ini  diubah  menjadi  usaha  /  kerja.  Sekeluarnya  dari turbin,  upa  akan  terkondensasi  pada  tekanan  tetap, transfer  panas  dalam  hal  ini  dilakukan  oleh  air pendingin  kemudian  di  pompa  kembali  ke  Boiler untuk disirkulasikan kembali.
Untuk  mengetahui  besarnya  perpindahan kalor  konduksi  dan  konveksi  pada  pipa  api boiler.
Dari  penjelasan  diatas  maka  tujuan  penelitian untuk  mengetahui  besarnya  perpindahan  kalor pada  alat  penguap  (superheated,  pemanas sekunder,  pemanas  udara)  boiler  pada  PT.
Perkebunan  Nusantara  Arso.  Berkaitan  dengan penjelasan diatas maka tujuan dari penelitian ini adalah  menganalisa  besarnya  perpindahan kalor  konduksi  dan  konveksi  pada  pipa  api boiler, dan perpindahan kalor pada alat penguap (superheated,  pemanas  sekunder,  pemanas udara)  boiler  pada  PT.  Perkebunan  Nusantara Arso.

## 2.  Landasan Teori

## 2.1.  Perpindahan Kalor Konduksi
Jika  suatu  benda  terdapat  gradien  suhu, maka  akan  terjadi  perpindahan  energi  dari bagian  bersuhu  tinggi  ke  bagian  yang  bersuhu rendah,  peristiwa  ini  disebut  perpindahan  kalor konduksi.  Ini  adalah  bentuk  perpindahan  kalor yang  terjadi  apabila  panas  mengalir  melalui bahan  akibat  perbedaan  suhu.  Jadi  jika  salah satu  ujung  batang  logam  dipanasi,  maka  suhu batang akan bertambah akibat getaran molekul- molekul  logam.  Laju  perpindahan  kalor  yang disalurkan  tiap  satuan  waktu  secara  konduksi berbanding  lurus  pada  luas  penampang  batang dan  selisih  temperatur  dan  berbanding  terbalik pada jalan lintasan.
Makin  besar  luas  dan  selisih  temperatur, makin  besar  pula  perpindahan  kalor,  karena perpindahan  kalor  berbanding  lurus  pada  luas dan  selisih  temperatur.  Pada  pihak  lain  makin
tebal  bahan  makin  kurang  perpindahan  kator karena  perpindahan  kalor  berbanding  terbalik pada tebal bahan.
Keterangan gambar : ------- =  temperatur bidang yang dilalui kalor
____ = Luas bidang panas yang mengadakan pemindahan atau arah aliran kalor, q

## Gambar 1. Arah aliran kalor

## 2.2.  Perpindahan Kalor Konveksi
Untuk dapat menghitung  perpindahan panas  secara  konveksi  dengan  menggunakan konduktifitas  thermal  fluida  dan  gradien  suhu bergantung  pada  laju  fluida  yang  membawa kalor  dari  situ.  Kecepatan  yang  tinggi  akan menyebabkan  gradien  suhu  pada  dinding bergantung pada medan aliran. Untuk menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh kita gunakan persamaan :
q = h.A(T w – T ∞ )
Dari persamaan di atas disimpulkan bahwa perpindahan  kalor  secara  konveksi  tergantung pada viscositas fluida di samping ketergantungannya  kepada  sifat-sifat  thermal fluida  (konduktifitas  thermal,  kalor  spesitik, densitas).  Hal  ini  dapat  dimengerti  bahwa viscositas  mempengaruhi  profil  kecepatan  dan karena  itu  mempengaruhi  laju  energi  di  daerah dinding.
Bila  suatu  plat  panas  dibiarkan  berada  di udara  bebas  tanpa  ada  sumber  gerakan  dari luar  maka  udara  itu  akan  bergerak,  sebagai akibat terjadinya gradien densisitas di dekat plat itu.  Peristiwa  itu  disebutkan  konveksi  aiamiah. Fenomena pendidihan dan pengembunan termasuk dalam kelompok masalah perpindahan kalor konveksi.

## a.  Perpindahan Kalor Pada Evaporator
Apabila  ingin  mengetahui  jumlah  panas yang  diperlukan  untuk  membuat  air  mendidih dari  0 0 C  hingga  pada  Td1 0 K  maka  dapat diselesaikan dengan persamaan.
q d1 = Panas jenis air x (T d1 – T o )
b.  Perpindahan Kalor pada Super heater Penghangat lanjut dibedakan atas dua :
1. Super heater Konveksi - Super heater Konveksi Arus searah - Super heater Konveksi Berlawanan - Super heater Konveksi Arus kombinasi 2. Super  heater Pancaran  atau  Radiant Super heater. Super heater konveksi terdiri dari pipa-pipa (elemen), super  heater dipanaskan  oleh  gas yang  mengalir    secara  konveksi.  Panas  yang diterima    secara  konveksi  dari  gas  asap sebanyak.
qK = G gas x PJ gas (t gas masuk – t gas keluar ) KJ/hr
Dengan,
G gas = Jumlah asap yang lewat ….. Kg/hr P gas = Panas jenis asap gas KJ/Kg 0 C t = Temperatur 0 C
Panas  jenis  gas  asap  dalam  hal  ini  adalah "Konstan"
c.  Perpindahan Kalor Melalui Bidang Pemanas Sekunder
Bidang  pemanas  sekunder  memperaleh panas  dari  gas  asap  menyerahkan  sebagian panasnya ke bidang pemanas primer.
Panas yang diserap. q eko =  S.P. J air (t a2 -t al ) Panas yang diserahkan : q eko - S. P. J gas (t g2 -t gl )
d.  Pemanas Udara ( air preheater ) Manfaat dari memanaskan udara pembakar terlebih  dahulu  sebelum  masuk  ke  dapur,  ialah udara  yang  telah  dalam  keadaan  panas  masuk ke dalam dapur, membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung dl dalam bahan bakar (khususnya  bahan bakar padat) sehingga akan mempercepat berlangsungnya pembakaran bahan bakar di dalam dapur.  Pada pesawat  pemanas  udara,  udara  menyerap panas  dari  gas  asap.  Sedang  gas  asap menyerahkan panas pada udara :
q eh = S.P. J  q ah = S.P.J. udara (t u2 -t u2 )
Panas yang diserahkan :
Qah  = S.P.J gas (t g1 – t g2 )

## e.  Boiler
Boiler  merupakan  pesawat  energi  yang mengkonversikan  energi  potensial  dari  bahan bakar  menjadi  energi  panas  yang  melalui  alat penguap (evaporator). Disamping sebagai
pesawat  energi  boiler  mengubah  air  menjadi uap bertekanan dan bertemperatur tinggi.
Pada pipa api, fluida yang mengalir dalam pipa  adalah  gas  hasii  pembakaran  yang membawa energi panas, yang segera mentransfernya  ke  air  ketel  melalui  bidang pemanas.
Boiler diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Natural Circulation Boiler (Sirkulasi alam)
b. Forced Circulation Boiler (Sirkulasi paksa) c.  Once Through type of boiler
3.  Metode Penelitian
a.  Prosedur pengambilan data
1.  Mencatat  temperatur  dan  debit  air yang  dimasukkan  ke  dalam  ketel meIalui panel instrumen.
2.  Mencatat temperatur gas yang masuk ke  dalam  ketei meialui  panel instrumen temperatur
3.  Mencatat temperatur air keluar ketel melalui panel instrumen temperatur
4.  Mencatat temperatur uap pans lanjut meialui panel instrumen temperatur
5.  Mencatat  temperatur  air  masuk ekanomiser  melalui  panel  instrumen temperatur
6.  Mencatat  jumlah  udara  yang  dibaca meialui pressure gauge
7.  Mencatat  temperatur  udara  masuk pemanas udara melalui panel instrumen 8.  Mengukur  diameter  dalam  pipa  api dengan menggunakan jangka sorong. 9.  Mengukur  diameter  luar  pipa  api dengan menggunakan jangka sorong.
10. Mengukur  panjang  pipa  api  dengan menggunakan rol meter.
11. Setelah  mengetahui  data  dari  hasil penelitian kemudian dilakukan
analisis data.
4.  Analisa Data Dan Pembahasan
4.1. Data Penelitian Dan Perhitungan
Tabel. 1. Data Penelitian

## a.  Perhitungan Dan Pembahasan
1. Menghitung  Perpindahan  Kalori  Secara Konduksi
Dari  data  spesifikasi  boiler  PT.  Perkebuna Nusantara Arso diketahui :
 Temperatur gas masuk t 1 = 300 0 C = 573 0 K  Temperatur gas keluar t 2 = 150 0 C = 423 0 K  Koefesien  konduksi  panas  (besi  tuang)  =
52w/m 0 K
 Panjang lintasan (L) = 8 m  Diameter dalam pipa = 42 mm = 0,042 m
Menentukan luas permukaan (A)
A =  .D1.L A =  .0,042 m. 8 m A = 1,055 m 2

## Jadi perpindahan kalor secara konduksi adalah
4.2.  Menghitung Perpindahan Kalor Konveksi Untuk menghitung perpindahan kalor secara  konveksi  pada  pipa  api  boiler  PT. Perkebunan  Nusantara  diperlukan  data-data sebagai berikut :
Koefesien perpindahan kalor konveksi (h) = 5555,42 w/m 2 0 K Luas permukaan (A) = 1,055 m 2
Suhu permukaan plat (Tw) = 358 0 K Suhu fluida (Too) = 333 0 K
Dengan : Luas permukaan : A =  .D1.L A =  .0,042 m. 8 m A = 1,055 m 2
Menentukan  temperatur  rata-rata  untuk gas adalah :
dengan sifat-sifat gas pada Tmgas = 498 0 K adalah
M = 169.684.10 -7 N.S/m 2 K = 33,74.10 -3 w/m.K Pr = 0,99848
Menentukan  koefesien  konveksi  kalor  dengan persamaan :
RED = 4.m
 .Do.  Re d = 502463 (Aliran turbulen) NUD = 836,27 h = 555,42 w/m 0 K,
Jadi  perpindahan  kalor  secara  konveksi,  q  = 1469,2 Watt
4.3.  Menghitung  Perpindahan  Kalor  pada Alat-Alat Penguap
 Super heater konveksi arus searah
Untuk  menghitung  perpindahan  kalor  pada super  heater konveksi  arus  searah  diperlukan data-data sebagai berikut :
Temperatur gas masuk (tgas1) = 450 0 C= 723 0 K Temperatur uap kenyang (tk)= 77 0 C = 350 0 K Temperatur gas keluar (tgas2)= 600 0 C = 873 0 K Temperatur uap panas lanjut (tu)= 400 0 C = 673 0 K
Maka selisih antara temperatur gas masuk ke super  heater dengan  temperatur  uap  kenyang yang masuk ke super heater adalah :  1 = t gas1 – t k
 1 = 723°K - 350°K  1 = 373°K
Selisih  temperatur  antara  gas  keluar  dari super  heater dengan  temperatur  uap  yang dipanaskan  lanjut  keluar  dari super  heater adalah :
 2 = t gas2 – t k  2 = 873 0 K-673 0 K  2 = 200 0 K
Selisih  antara  temperatur  gas  rata-rata  pada super heater dengan temperatur uap rata-rata di dalam super heater ialah :  2 = t gas rata-rata – t uap rata-rata
 t =  1 -  2 1n(  1 -  2 )  t = 373 0 K - 200 0 K 1n(373/200)
 t =  160,4 0 K
 Super heater konveksi arus berlawanan
Untuk  menghitung  perpindahan  kalor  pada alat  penguap  ( super  heater )  konveksi  arus berlawanan diperlukan data-data sebagai berikut :
 Temperatur  gas  masuk super  heater (tgasl ) = 550°C = 823°K
 Temperatur uap panas lanjut keluar (tu) =
500°C = 773°K
q = K.A. (t1-t2)
L q = 1.028,625 Tmgas = 573 + 423 2 = 498 0 K
Tmgas = 573 + 423 2
= 498 0 K
 Temperatur  gas  keluar super  heater (tgas2) = 400 0 C = 673 0 K  Temperatur  uap  kenyang  masuk  (tk)  = 120°C = 393°K
Maka selisih antara temperatur gas asap masuk ke super  heater dengan  temperatur  uap  yang dipanaskan lanjut keluar adalah :
 1 = t gas1 – t k  1 = 823 0 K – 773 0 K  1 = 50 0 K Selisih antara temperatur gas keluar dari super heater dengan temperatur uap kenyang masuk adalah :
 2 = t gas2 – t k
 2
= 673 0 K – 393 0 K  2 = 280 0 K
Selisih  antara  temperatur  gas  rata-rata  pada super heater dengan temperatur uap rata-rata di dalam super heater ialah :  t = t gas rata-rata – t uap rata-rata
 t =  1 -  2 1n(  1 /  2 )  t = 50 0 K – 280 0 K 1n(50/280)
 t =49,98 0 K
 Super heater pancaran
Dari data spesifakasi boiler PT. Perkebunan Nusantara Arso diketahui:
 Konstanta Stefan boltmann = 5,67 x 10 -8
KJ/m 2 J°K 4
 Luas bidang super heater yang dipanaskan (F) = 1,25 m 2
 Temperatur api di dalam tungku (Tapi) = 1170°C = 1443°K
 Temperatur pipa-pipa super heater = 80°C = 353K
Maka perpindahan kalar pada super heater pancaran adalah :
qp = C x F x (0,01 x Tapi) 4 - (0,01 x Tpipa) 4
qp = 5,67 x 10 -8 x 1,25 (0,01 x 1443) 4 - (0,01 x 353 ) 4
qp  = 2917,6 Watt
 Perpindahan kalor melalui bidang pernanas sekunder (ekonomiser)
Untuk  menghitung  perpindahan  kalor  yang melalui  bidang  pemanas  sekunder  diperlukan data-data sebagai berikut :
4.3.1.  Jumlah  air  yang  masuk  ke  ketel  (s)  = 5500 kg/hr = 1,52 kg/s.
4.3.2.  Panas jenis air (P.J)
= 1,863 KJ/kg°C
4.3.3.  Jumlah gas yang lewat (S)
= 28 kg/hr
4.3.4.   Panas jenis gas asap (P.J.gas) =  0,25 KJ/kg°C
4.3.5.  Suhu air masuk ekonomiser (tal) = 60 °C = 333°K
4.3.6.  Suhu air keluar ekonomiser (ta2) = 120 °C = 393°K
4.3.7.  Suhu gas masuk ekonomiser (tg1) = 250 °C = 523°K
4.3.8.  Suhu gas keluar ekonomiser (tg2) = 320 °C = 593°K
Jadi panas yang diserap : q eko = S.P.J air (ta2 - ta1) q eko = 1,52.1,863 (393 - 333) q eko = 169,90 Watt Dan panas yang diserahkan : q eko = S.P.J gas (tg2 - tg l)
q eko = 281.0,25 (593 - 523) q eko = 4917,5 Watt
 Pemanas udara ( air preheater ) Untuk  menghitung  perpindahan  kalor  yang melalui  pemanas  udara  diperlukan  data-data sebagai berikut :
- Jumlah air yang masuk ditekan (s) = 20 kgls - Panas jenis udara (P.J) =  0,24 KJ/kg°C - Jumlah  gas  yang  lewat  dalam  pipa  (S)=  281 kg/hr
- Panas jenis gas {P.J.gas} =  0,25 kg/hr
- Temperatur  udara  masuk  pesawat  Pemanas udara (tu 1)   = 20 °C = 293°K
- Temperatur  udara  keluar  Pesawat  pemanas udara = 100 °C = 373°K
- Temperatur gas masuk ke pemanas udara  = 180 °C = 453°K
- Temperatur gas keluar pesawat pemanas udara = 281 °C = 554°K
Jadi panas yang diserap :
q ah = S.P.J udara (tu2 -tu1) q ah = 20.0,24 (373 - 293) q ah = 384 Watt Dan panas yang diserahkan : q ah = S.P.J gas (tg2 - tgl)
q ah = 281.0,25 (554 - 453)
q ah = 7095,25 Watt

## 5.  Kesimpulan
a.  Perpindahan  kalor  secara  konduksi  pada pipa api boiler sebesar 1028,625 Watt.
b.  Perpindahan  kalor  secara  konveksi  pada pipa api boiler sebesar 1469,2 Watt.
c.  Perpindahan  kalor  yang  terjadi  pada  alat penguap boiler :
a.  Superheated sebesar 2917,6 Watt
b.  Pemanas sekunder sebesar 4917,5 Watt
c.  Pemanas udara sebesar 7092,25 Watt.
d.  Uap  panas  yang  dihasilkan  dari  ketel  dapat digunakan  untuk  merebus  kelapa  sawit, memanaskan  minyak  kelapa  sawit  agar tidak  membeku  dan  dapat  digunakan  untuk menggerakkan turbin uap.
e.  Uap  yang  dihasilkan  dapat  juga  digunakan sebagai  acuan  untuk  menentukan  luas bidang  pemanas  ( Heating  surface )  yang sangat  berguna  dalam  perencanaan  ketel uap atau alat penukar kalor.

## 6. Daftar Pustaka
J.  P  Holman,  1998. Perpindahan  Kalor , Erlangga, Thamrin Rais, 1985. Turbin Uap dan Mesin Uap , Tarsito Bandung. Daryanto,  1984. Rangkuman  Bahasan  Ketel Uap , Tarsito Bandung. Thamrin  Rais,  1985. Teori  dan  Penyelesaian Soal  Ujian  Negara  Ketel  Uap ,  Tarsito Bandung. NIT  Djokosetyardjo,  1987 Keter  Uap ,  Cet.1
Pradnya Patamita.
Surbakty,  1985. Pesawat  Tenaga  Uap ,  Mutiara Solo. Syamsir  A.  Muin,  1988. Pesawat-Pesawat Konversi Energi , I, RajaWali Pers Jakarta,
R.  Artono,  2002. Perpindahan  Kalor, Salemba Teknika.