Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
(67)

## ANALISIS KEBUTUHAN BAHAN BAKAR TERHADAP PERUBAHAN TEKANAN UAP
Qamaruddin 1) Muhammad Ilyas Sikki 2)
1) Fakultas Teknik, Universitas Islam "45" Bekasi, Email :Qomarudin.q@gmail.com
2) Fakultas Teknik, Universitas Islam "45" Bekasi, Email : ilyas.sikki@gmail.com
Abstrak
Pada  dunia  industri  terutama  pada  sektor  produksi  makanan,  banyak  yang  menggunakan alat  penukar  kalor  sebagai  salah  satu  media  untuk  salah  satu  cara  menghemat  pemakaian  bahan bakar  yang  dilakukan.  Dengan  pemasangan  alat  penukar  kalor  yang  dipasang  pada  ekonomiser dengan pemakaian bahan bakar solar (HSD) sebesar 50% sampai dengan 100%. Jenis alat penukar kalor yang pasang adalah jenis shell and tube. Dengan memanfaatkan gas buang untuk pemanasan boiler,  akan  menakibatkan  tingkat  efisiensi  boiler  menjadi  lebih  tinggi  dan  juga  dapat  menghemat kebutuhan  bahan  bakar.  Uap  panas  yang  terbuang  dimanfaatkan  untuk  pemanasan  air  pada  alat penukar kalor sebesar 103 0 C  sementara uap panas  yang terdapat di bolier sebesar  249 0 C, dalam hal ini pemanasan boiler dapat terbantu oleh uap panas yang keluar dari alat penukar kalor. Dengan pengaturan beberapa variasi tekanan uap yaitu : 5,7 bar, 5,8 bar, 6 bar, 6,2 bar, 6,4 bar yang diatur pada boiler sehingga kita dapat menentukan atau memprediksi kebutuhan bahan bakar pada burner.
Kata sandi : Shell and tube, Boiler, uap panas, penghematan bahan bakar

## I. PENDAHULUAN

## 1.1.Latar belakang
Proses  pembakaran  adalah  proses  reaksi  kimia  antara  bahan  bakar  dan  oksidator  dengan melibatkan  pelepasan  energi  dalam  bentuk  panas  dalam  jumlah  yang  signifikan.  Pembakaran merupakan  bagian  sangat  penting  dalam  kegiatan  industri  yang  memanfaatkan  bahan  bakar  sebagai sumber energi. Saat ini hampir semua industri melibatkan proses pembakaran sebagai salah satu unit penyedia  energi  dalam  sistem  utilitasnya.  Beberapa  industri  bahkan  menggunakan  pembakaran sebagai unit utamanya (http://www.lemigas.esdm.go.id/id/prdkpenelitian-265-.html).
Seiring  dengan  berkembangnya  zaman  yang  bersamaan  dengan  kemajuan  teknologi  dan industri proses produksi, dimana perkembangan itu nampak dengan adanya faktor penunjang didalam produktifitas  perusahaan.  Semakin  banyaknya  produsen  suatu  perusahaan  yang  menempati  skala besar,  hampir  80  %  ketel  uap  masih  tetap  dominan  untuk  dipergunakan  (Disnakertrans Kab.Bekasi,bagian pengawasan dan keselamatan ,2011).
Efisiensi  adalah  suatu  tingkatan  kemampuan  kerja  dari  suatu  alat.  Sedangkan  efisiensi  pada boiler  adalah  prestasi  kerja  atau  tingkat  unjuk  kerja  boiler  atau  ketel  uap  yang  didapatkan  dari perbandingan antara energi yang dipindahkan ke atau diserap oleh fluida kerja didalam ketel dengan masukan  energi  kimia  dari  bahan  bakar.  Untuk  tingkat  efisiensi  pada  boileratau  ketel  uap  tingkat efisiensinya  berkisar  antara  70%  hingga  90%  (Intan  Alifiyah  Ilmi,  Ya’umar,  ITS-Undergraduate- 12709-Paper).
Usaha – usaha yang dapat dilakukan guna mendapatkan biaya operasi yang ekonomis adalah dengan  pergantian  pemakaian  bahan  bakar.  Pengoptimalan  efisiensi  dan  pemeliharaan boiler yang sudah ada. Dari beberapa usaha tersebut pergantian pemakaian bahan bakar merupakan alternatif yang dapat ditempuh untuk dilakukan (Cahyo Adi Basuki [1] ,Ir. Agung Nugroho [2] , Ir. Bambang Winardi [2] . JurusanTeknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro). Ketel uap ( Boiler ) sering dipakai sebagai mesin produksi baik secara langsung maupun secara tidak langsung.  Ketel uap  ( Boiler ) adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran  dialirkan ke air sampai  terbentuk  uap (steam) .  Untuk  menghasilkan  panas  yang  digunakan  dalam  pemanasan  air tersebut diperlukan bahan bakar yaitu solar (HSD).
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
Tempat  bahan  bakar  untuk  proses  pembakaran  yaitu  pada  burner.Tingkat  kebutuhan  bahan bakar  sangat  menentukkan  laju  perekonomian  produksi  suatu  perusahaan  atau  instansi,  selain  dari tinjauan  ekonomi  tingkat  efisiensi  ketel  uap  ( boiler )  juga  akan  berpengaruh.  Sehingga  ada  suatu hubungan antara tingkat efisiensi ketel uap ( boiler ) dengan pemakaian bahan bakar yang perlu diteliti. Faktor gas  asap ini juga dapat dimanfaatkan  untuk menaikan temperatur air umpan  sebelum dimasukkan  ke  dalam  Drum/Ketel,  sehingga  pemakaian  bahan  bakarnya  lebih  hemat  untuk menghasilkan uap yang digunakan dalam proses produksi.

## 1.2.Rumusan Masalah
1. Bagaimana  menganalisis  kebutuhan  bahan  bakar  yang  perlukan  dengan  memanfaatkan  gas asap panas hasil pembakaran pada ketel uap.

## 1.3.Batasan Masalah
1. Tekanan uap diatur pada 5,7 bar dengan laju aliran massa 2552 kg/h.
2. Tekanan uap diatur pada 5,8 bar dengan laju aliran massa 3006 kg/h.
3. Tekanan uap diatur pada 6 bar dengan laju aliran massa 3496 kg/h.
4. Tekanan uap diatur pada 6,2 bar dengan laju aliran massa 3958 kg/h.
5. Tekanan uap diatur pada 6,4 bar dengan laju aliran massa 4486 kg/h.

## 1.4.Tujuan Penelitian
Memprediksi kebutuhan bahan bakar yang digunakan dengan tekanan uap yang berbeda.

## II.TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1.  Siklus Dasar Pembentukan Uap
2.1.1. Perubahan Fase
Bila  panas  diberikan  pada  suatu  zat  pada  tekanan  konstan,  maka  biasanya,  hasilnya  adalah kenaikan temperatur zat. Namun, kadang-kadang zat dapat menyerap panas dalam jumlah yang besar tanpa mengalami perubahan apapun pada temperaturnya (Tipler,1998:16). Ketika air diberikan energi panas  dengan  tekanan  yang  konstan,  temperaturnya  akan  naik  dan  air  akan  mendidih.  Panas  ini dikenal dengan sensible heat . Temperatur air pada titik ini dinamakan temperatur jenuh, tekanan yang diberikan  air  disebut  tekanan  jenuh,  dan  uap  yang  dihasilkan  merupakan  uap  basah.  Air  diubah menjadi uap pada temperatur konstan dan energi yang diberikan selama terjadinya perubahan fase ini dikenal  dengan  entalpi  uap  (  dikenal  dengan  diagram p-h )  seperti  yang  diperlihatkan  pada  gambar 2.1,  dan  panas  yang  diperlukan  untuk  merubahnya  dikatakan  panas  laten.  Uap  yang    tidak    lagi mengandung  air  dikatakan    uap  jenuh  (uap  kering),  yang  apabila  dipanasi  terus  -  menerus  dengan tekanan konstan akan menghasilkan uap dengan temperatur diatas titik jenuhnya. Uap ini dinamakan uap superheated. Gambar  2.2  memperlihatkan  bentuk  umum  dari  diagram temperatur    entropi,  dan dikenal dengan diagram T-s .
Grafik 2.1 Diagram p-h ( pressure - enthalpy )
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
(69)
Grafik 2.2 Diagram T-s ( temperature – entropy)
Bentuk umum dari diagram entalpi - entropi ditunjukkan pada gambar 2.3 dibawah.
Pemanasan  uap superheated diatas  temperatur  titik  kritisnya  tekanan  sebesar  22  bar  (  3206 psi) dan temperatur sebesar 374 ºC (705,4 ºF) akan menghasilkan gas. Sebagai contoh, pada tekanan konstan  panas  yang  ditransmisikan  dari  uap superheated temperaturnya  akan  menurun  hingga  telah mencapai titik jenuhnya. Pada keadaan ini temperaturnya akan tetap konstan sampai keseluruhan uap dikondensasikan.
2.1.2. Siklus Termodinamika
Disusun oleh serangkaian proses perubahan energi panas yang mengembalikan kerja fluida ke bentuk  asalnya.  Selama  terjadinya  proses,  satu  bagian  daya  biasanya  berlangsung  konstan.  Hal  ini termasuk isothermal (temperatur  konstan), isobaric (tekanan  konstan), isometric (volume  konstan), isentropi (entropi konstan), adiabatic (tidak ada perpindahan panas), dan throtling (entalpi  konstan).
Grafik 2.3 Diagram enthalpy - entropy ( h-s )
Grafik 2.4 Siklus uap Rankine
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
(70)
Siklus  termodinamika  dasar  untuk  uap  adalah  siklus Rankine ,  yang  mencakup  pemampatan isentropik, pertambahan panas isobarik, pembesaran isentropik, dan yang terakhir pembuangan panas isobarik. Siklus Rankine untuk sistem fluida ditunjukkan gambar 2.4 pada diagram T-s .
Perubahan fase siklus dapat dijelaskan sebagai berikut:
a. Proses  1-2  adalah  proses  adiabatik  dimana  pompa  bekerja,  yaitu  keadaan  perubahan temperatur  pada  entropi  yang  tetap  (isentropik).  Pada  pompa  terjadi  perubahan  energi mekanik menjadi energi panas dan menyebabkan adanya kenaikan temperatur.
b. Proses 2-3 adalah proses pertambahan panas pada tekanan yang sama (isobarik) yang muncul pada boiler; dimana pada segmen 2-2` terjadi kenaikan temperatur dengan adanya pemanasan air hingga mencapai titik didihnya yang diikuti oleh kenaikan  entropi. Segmen 2`-2`` adalah fase  pendidihan  yang  berlangsung  pada  temperatur  konstan.  Kenaikan  entropi  dikarenakan adanya  pertambahan  energi  panas  selama  terjadinya  proses.  Pada  segmen  2``-3,  uap  telah mencapai temperatur diatas titik jenuhnya, dikenal dengan uap superheated .
c. Proses  3-4  adalah  keadaan  adiabatik  pada  turbin.  Pada  proses  pemanasan  produk,  terjadi perpindahan  panas  dari  tabung  uap  ke  produk,  sehingga  uap  akan  mengalami  penurunan temperatur.
Untuk merubah satu kilogram air menjadi satu kilogram uap dibutuhkan panas laten dan sensible heat . Semakin tinggi tekanan uap, semakin besar pula temperatur pendidihan yang dibutuhkan. Semua boiler tidak  bekerja  pada  keadaan  tekanan  dan  temperatur  air  pengisian  yang  sama,  tetapi  bentuk perbandingan untuk kondisi ini dapat ditentukan. Jumlah panas yang dibutuhkan untuk menguapkan 1 kg  air  pada  temperatur  100  ºC  dan  tekanan  absolut  1  bar  (  14,7  psia  )  adalah  970,3  Btu  ( British thermal unit ).

## 2.2. Ketel Uap
Ketel uap ialah suatu pesawat yang dibuat guna menghasilkan uap  yang dipergunakan diluar pesawatnya (Peraturan Uap 1930). Didalam dapur (Furnace), energi kimia dari bahan bakar dirubah menjadi panas melalui proses pembakaran dan panas yang dihasilkan sebagian besar dipindahkan ke air  melalui  proses  perpindahan  panas    didalam  ketel,  sehingga  pengaruh  dari  proses  pemanasan terebut air berubah menjadi uap.
2.2.1 Sistem kerja Ketel Uap
Ketel  Uap/ Boiler adalah  bejana  tertutup  dimana  panas  pembakaran  dialirkan  ke  air  sampai terbentuk air panas atau steam . Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan  panas  ke  suatu  proses.  Air  adalah  media  yang  berguna  dan  murah  untuk  mengalirkan panas  ke  suatu  proses.  Jika  air  didihkan  sampai  menjadi steam ,  tekananya  akan  meningkat  dan menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga ketel uap/ boiler merupakan  peralatan  yang  harus  dikelola  dan  dijaga  dengan  sangat  baik.    Sistem  ketel  uap/ boiler terdiri dari:
a. Sistem air umpan
b. Sistem steam / uap
c. Sistem bahan bakar
a. Sistem air umpan
Sistem  air  umpan  menyediakan  air  awal  untuk  ketel  uap/ boiler secara  otomatis  sesuai  dengan kebutuhan steam .  Berbagai  peralatan    disediakan  untuk  keperluan  pengisian  air  kedalam  ketel uap/ boile r  antara  lain  Pompa  air,valve,pelampung  otomatis,tangki  penampung,deaerator,  tangki softener, bak proses regenerasi, panel kontrol, manometer, termometer.
b. Sistem steam / uap Uap  ( steam )  dalam  pembicaraan  selanjutnya  dimaksudkan  uap  air  yaitu  uap  yang  timbul  akibat perubahan fase air ( cair ) menjadi uap dengan cara pendidihan ( boiling ). Untuk melakukan proses pendidihan  diperlukan  energi  panas  yang  diperoleh  dari  sumber  panas  ,  misalnya  dari  pembakaran bahan bakar ( padat, cair, dan gas ) tenaga listrik dan gas panas sebagai sisa proses kimia serta tenaga nuklir. Penguapan bisa saja terjadi disembarang tempat dan waktu pada tekanan normal , bila diatas permukaan  zat  cair  tekanan  turun  dibawah  tekanan  mutlak.  Uap  yang  dihasilkan  dengan  cara
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
demikian tidak mempunyai energi potensial,jadi tidak dapat digunakan sebagai sumber energi. Sistem steam  mengumpulkan  dan  mengontrol  produksi  steam  dalam  ketel  uap.  Steam  dialirkan  ke Steam header dan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat pemantau tekanan (Manometer).
c. Sistem Bahan bakar
Sistem bahan bakar adalah semua equipment atau peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan  bakar  boiler.  Peralatan  yang  digunakan  tergantung  pada  jenis  bahan  bakar  yang  digunakan boiler. Bahan bakar yang digunakan adalah bahan bakar cair yaitu solar 2.3.LMTD ( Log Mean Temperature Different )
Adalah beda suhu rata-rata log yaitu beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung satunya di bagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda suhu tersebut.
LMTD =
(2.1)
(Holman.J.P.,Jasjfi.E.(1997). Perpindahan Kalor, Jakarta:Erlangga) Keterangan :
Tg out
: Temperatur gas keluar ( 0 C) Tg in : Temperatur gas masuk ( 0 C) Tw out : Temperatur air keluar ( 0 C) Tw in
: Temperatur air masuk ( 0 C) 2.4.Laju perpindahan kalor ( ) Panas  dialirkan  secara  konveksi  dari fluida panas  kedinding  pipa,  kemudian  panas dikonduksikan  melalui  dinding  pipa  dan  dikonveksikan  kembali  dari  dinding  pipa  ke fluida dingin pada sisi dalam pipa. Perpindahan panas ini terjadi dikarenakan adanya perbedaan temperatur antara aliran fluida panas  dan fluida dingin.  Untuk  menentukan  laju  perpindahan  panas/Laju  perpindahan kalor ( ) yang terjadi, perlu ditentukan harga koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), sehingga diperoleh sebasar :
= U x A x LMTD (2.2)
Dimana :
(U) = harga koefisien perpindahan panas menyeluruh U = 135,6 KW/ m 2 .°C A
= 103,2 m 2
2.5.Menghitung kebutuhan bahan bakar yang digunakan
bbm = (2.3)
Keterangan : m bbm = kebutuhan bahan bakar (L/h) = Laju perpindahan kalor kW Hu    = Net calorific value /nilai kalor bersih(kJ/kg) G fuel = Laju Kebutuhan bahan bakar G cv = Gross Calorific Value (kJ/kg)
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
(72)

## III. METODE PENELITIAN

## 3.1.Alur penelitian yang akan dilakukan

## IV.HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.Perhitungan LMTD
Dari beberapa hasil pengukuran di peroleh data sebagai berikut  : Tabel 4.1 Hasil pengukuran temperatur gas dan air umpan
ṁ Tekanan T gas in T gas out T water in T water out kg/jam bar °C °C °C °C 2552 5,7 218 160 103 133 3006 5,8 228 168 103 134 3496 6 230 175 103 135 3958 6,2 231 177 103 136 4486 6,4 240
179 103 137
Mulai
Mengatur tekanan uap pada boiler dengan beberapa variasi nilai
Pengaturan efisiensi boiler dari beberapa perubahan tekanan uap yang telah ditentukan
Pengambilan data temperatur uap dan temperatur air yang keluar pada boiler dengan perubahan tekanan yang telah ditentukan
Analisis pemakaian bahan bakar yang digunakan dengan perubahan tekanan yang telah ditentukan
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
(73)
Grafik 4.1 (Grafik hubungan LMTD dengan tekanan)
Grafik 4.2 (Grafik hubungan laju perpindahan kalor dengan tekanan)
Tabel 4.2 Penggunaan bahan bakar terhadap masing-masing tekanan uap Tekanan uap (Bar) Penggunaan bahan bakar (l/h) 5,7 29.225 5,8 32.787 6 34.605 6,2 35.061 6,4 37.004
70 79 83 84 89 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5,7 5,8 6 6,2 6,4 Tekanan (Bar) LM T D 980.555 1.100.069 1.161.067 1.176.375 1.242.899 0 200.000 400.000 600.000 800.000 1.000.000 1.200.000 1.400.000 5,7 5,8 6 6,2 6,4 Tekanan (Bar) q (k W )
Jurnal  Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi, http://ejournal-unisma.net Qamaruddin dan Muh.Ilyas Sikki “ Analisis Kebutuhan Bahan Bakar terhadap Perubahan Tekanan Uap ”
(74)
Grafik 4.3 (Grafik hubungan antara tekanan dengan penggunaan bahan bakar per jam)

## V.KESIMPULAN DAN SARAN 5.1.KESIMPULAN
1) Tekanan  uap  semakin  tinggi  maka  kebutuhan  bahan  bakar  yang  digunakan  juga  semakin meningkat
2) Kebutuhan  bahan  bakar  meningkat  sementara  temperatur  air  umpan  dijaga  konstan,  jika temperatur air umpan di tingkatkan maka akan terjadi penurunan bahan bakar.
5.2.Saran
1) Perlu adanya alat penukar kalor yang layak, sesuai dengan sistem siklus tersebut.
2) Alat  indikator  pengukuran  (temperatur,  tekanan)  harus  digital  agar  memiliki  tingkat  akurasi yang tinggi.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1]. Djokosetyarjo.M.J.(2006). Ketel Uap, Jakarta:Pradnya Paramita.
[2]. Holman.J.P.,Jasjfi.E.(1997). Perpindahan Kalor, Jakarta:Erlangga.
[3]. Kern,D.Q.(1950). Process Heat Transfer ,International StudentEdition:McGraw-Hill.
[4]. LOOS  International (2010). Operating Instruction, Germany.
[5]. Loodwit  Ordonanntie.1931.No.509.Undang  Undang  &  Peraturan  Uap  1930. Jakarta: Disnakertrans.
[6]. Michel.A.Saad(2000). Termodinamika,Prinsip  dan  Aplikasi, Edisi  Bahasa  Indonesia,  Jilid 1,Jakarta:PT Prenhallindo.
[7]. Yunus  A.Cengel  and  Michael  A.Boles  (2002). Thermodynamics  an  Engineering  Approach, Fourth Edition :McGraw-Hill.
[8]. Kaka ć , Hongtan Liu (2002). Heat Exchangers selection,Rating and Thermal Design ,CRC press.
[9]. Ramesh K. Shah and Dušan P,Sekuli ć (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design, John Wiley &sons ,inc
[10]. http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-12709-Paper.pdf [11]. http://eprints.undip.ac.id/25596/1/ML2F004464.pdf [12]. http://www.lemigas.esdm.go.id/id/prdkpenelitian-265-.html
29,225 32,787 34,605 35,061 37,004 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5,7 5,8 6 6,2 6,4 Tekanan (Bar) m b b m (l /h )