## ANALISA KEHILANGAN ENERGI PADA FIRE TUBE BOILER KAPASITAS 10 TON

## Aditio Primayudi Aji Nugroho
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Email: adityaprimayudi90@gmail.com
Abstrak -- Tujuan  dari penulisan ini  adalah    menghitung kinerja  boiler dengan  mengetahui  kerugian energi pada saat  produksi  steam. Analisa  teknis  pada  boiler  sangat  diperlukan,   sebagai  upaya peningkatan  efisiensi  dan  mengetahui  banyaknya  energi  yang  terbuang sebagai  kerugian.  Faktor- faktor   penyebab   kehilangan   panas/heat    loss terbesar pada  boiler  antara lain  :  “kehilangan  panas akibat gas buang kering, kandungan  steam  dalam  gas  buang,  kandungan  air  dalam  bahan  bakar, kandungan air dalam suplai udara dan lain-lain”.Kehilangan panas/heat loss atau  juga  bisa  disebut kehilangan    energi    merupakan    salah    satu    faktor  penting    yang    sangat    berpengaruh    dalam mengidentifikasi    efisiensi    pada  boiler.Untuk    itu    dilakukan    studi    analisa    dengan    perhitungan kehilangan  panas    dengan    tujuan    untuk    mengetahui    besarnya    penurunan    performance  dan penyebab  dari  penurunan  performance.  Berdasarkan    data    dan    analisa    metode    direct    diketahui penurunan sebesar 21% pada kondisi normal (operasi)  79%   dan  dari hasil perhitungan kehilangan panas  indirect  sebesar  16.68%  efisiensi  boiler  sebesar  83.32% maka  dari  itu  adanya  kehilangan panas,  perlu  adanya  perbaikan  dalam control  pengaturan  bahan  bakar  dan   udara  yang  masuk secara  optimum dengan  cara  menggunakan  Oxygen  Trim  Control  yang  berfungsi  untuk mengukur konsentrasi oksigen pada cerobong dan secara otomatis mengatur oksigen  pada  udara  yang  masuk burner  sehingga  dihasilkan  pembakaran dengan  efisiensi  yang  optimal.dan  dengan  menggunakan economizer  pada pemanasan awal suhu air umpan dapat menaikan efisiensi boiler.
Kata Kunci : efisiensi, kehilangan panas, fire tube boiler

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan industri semakin semakin berkembang dan membuat sektor industri menjadi perlu  mengkaji  ulang  kinerja  mesin  untuk menghindari terjadinya pemborosan energi. Boiler adalah  salah  atu  peralatan  dibidang  industri dimana  hasil  dari  boiler  yang  berupa  steam/uap yang akan di distribusikan ke user. Analisa teknis pada boiler sangat diperlukan, sebagai salah satu upaya  peningkatan  efisiensi  untuk  menghindari pemborosan  didalam  penggunaan  bahan  bakar serta  menekan  biaya  operasional.  Kehilangan energi merupakan salah satu faktor penting yang berpengaruh  untuk  mengidentifikasi  efisiensi pada boiler.

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dimaksudkan untuk mengidentifikasi kehilangan energi pada Fire Tube Boiler kapasitas 10  Ton  untuk  dapat  mengefisiensi  kinerja  boiler tersebut.  Metode  yang  dipakai  adalah  dengan perhitungan  manual  dengan  rumus-rumus  yang sudah  tersedia,  dengan  membaca  grafik  dan tabel-tabel  yang ada  di buku-buku. Metode  yang dipakai  adalah  metode  observasi  dan  literatur, terjun langsung ke lokasi yang akan pengamatan, diskusi dengan pengguna boiler dan studi pustaka untuk menambah referensi. Data kemudian diolah dan dianalisa
2.1 Diagram Alir

## 3. TEORI PADA BOILER
3.1  Perpindahan  Panas  Secara  Pancaran (Radiasi)
Perpindahan  panas  secara  radiasi  adalah perpindahan  panas  dari  benda  satu  ke  benda lainnya,  melalui  gelombang  elektromagnetik tanpa  ada  atau  tidak  adanya  media  untuk menghantarkan pancaran panas tersebut. Molekul-molekul api hasil dari pembakaran bahan bakar  dan  udara  menyebabkan  gangguan terhadap keseimbangan elektromagnetik terhadap  media  yang  disebut  aether.  Sebagian panas yang timbul dari hasil pembakaran tersebut dialirkan  aether  yang  kemudian  diteruskan kepada bidang yang akan dipanasi, yaitu dinding ataupun pipa ketel.
3.2 Perpindahan Panas Secara Aliran (Konveksi)
Perpindahan  panas  secara  konveksi  adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul- molekul  suatu  fluida  atau  gas.  Molekul-molekul fluida  tersebut  dalam  pergerakannya  membawa sejumlah panas masing-masing q joule. Pada saat molekul fluida menyentuh dinding atau pipa ketel maka  panasnya  dibagikan  sebagian  kepada dinding  atau  pipa  ketel,  sedangkan  sebagiannya lagi dibawa molekul pergi.
Gerakan-gerakan  molekul  yang  melayang- layang  tersebut  disebabkan  dari  perbedaan temperature  di  dalam  fluida  itu  sendiri.  Dalam gerakannya,  molekul-molekul  api  tersebut  tidak perlu melalui lintasan yang lurus untuk mencapai dinding bidang yang di panasi.

## 3.3  Perpindahan  Panas  Secara  Rambatan (Konduksi)
Perpindahan  panas  secara  konduksi  adalah perpindahan  panas  dari  suatu  benda  padat  ke benda padat lainnya karena adanya persinggungan  (kontak  fisik)  tanpa  terjadinya perpindahan  panas  molekul-molekul  dari  benda padat itu sendiri.
Didalam  dinding  ketel,  panas  dirambatkan  oleh molekul-molekul dinding ketel bagian dalam yang berbatasan  dengan  api  menuju  ke  molekul- molekul dinding ketel bagian luaryang berbatasan dengan  air.  Perambatan  tersebut  menempuh jarak terpendek (Djokosetyardjo, 1993).

## 3.4 Mekanisme Sistem Penyuplai Panas Pada Ketel Uap

## a. Mekanisme penyuplaian udara
Mekanisme  Sistem  penyuplaian  udara  ke  boiler selain  dari  aliran  Primary  air  fan  (PAF)  dan Secondary Air Fan (SAF), udara pembakaran juga dibantu  oleh  Fluiditing  Air  Blower,  jumlah  flow
udara  dalam  proses  pembakaran  (100%BMCR) diruang  bakar  (Furnace)  membutuhkan      522  t/h udara panas.
Aliran  udara  yang  berputar  (turbulent), tujuannya untuk melindungi dinding cyclone pada bagian  expansion  bellow  pada  dinding  cyclone maka dibantu Fluiditing Air Blower. Batubara yang belum  habis  terbakar  yang  menempel  pada bagian  expansion  bellow  dapat  merusak  dan menghambat sirkulasi pada cyclone. Selain untuk melindungi  expansion  bellow  pada  dinding cyclone  udara  yang  berasal  dari  Fluiditing  Air Blower  ini  juga  digunakan  untuk  mendorong batubara  yang  belum  habis  terbakar  masuk kedalam  Furnace  pada  Sealpot  yang  letaknya dibawah  cyclone.  Sealpot  digunakan  sebagai penghambat  laju  aliran  batubara  yang  belum habis terbakar sebelum masuk ke furnace.
Dua  sumber  aliran  udara  utama  yaitu  udara primary dan udara secondary dibantu oleh udara dari  Fluiditing  Air  Blower  serta  udara  dari limestone. Udara primary berasal dari udara luar yang masuk kedalam kipas (fan) kemudian udara dihembuskan  menuju  turbular  air  heater  terjadi pertukaran  panas  antara  udara  primary  dengan flue gas.

## b. Pengaturan penyuplaian udara
Pengaturan  tekanan  udara  bebas  dikelilingi  kita sebut  dengan tekanan atsmosfer,  besar tekanan atsmosfer  adalah  1,023  bar  atau  14,7  Psig  dan alat  ukurnya  dinamakan  barometer.  Titik  nol barometer  diukur  dalam  ruangan  hampa  udara (Hampa  mutlak/non  absolute).  Sedangkan  alat ukur  yang  digunakan  untuk  mengukur  tekanan selain  tekanan  udara  bebas  adalah  manometer. Tekanan  dapat  dibedakan  menjadi  3  macam yaitu:
1.  Tekanan terukur
2.  Tekanan Absolute
3.  Tekanan Vakum
Pada  pengaturan  tekanan  yang  sering  di jumpai pada pembangkit termal adalah menggunakan metode, sebagai berikut : 1.  Kolom Zat Cair
2.  Perubahan Element Elastis

## c. Pengaturan temperatur udara
Pengaturan temperatur udara dapat dimonitor dari pengukuran  temperature  pada  boiler  overview. Pada  pembangkit  termal  terdapat  dua  buah  alat ukurnya  yaitu  Thermokopel  dan  Resistance Temperatur  Detector  (RTD).  Thermokopel  terdiri dari dua logam berlainan jenis yang digabungkan dari  sumber  panas  pada  ujung  yang  lain  akan menimbulkan tegangan listrik berupa mili volt dan pada  Resistance  Temperatur  Detector  (RTD) objek  dan  pembacaan  instrumentasinya  berada ditempat  yang  berbeda  atau  dapat  dikatakan pembacaan  jarak  jauh  dengan  menggunakan
kawat  penghubung  yang  mempunyai  tahanan meskipun kecil (0,008-0,012/meter).

## 4. ANALISA DAN PEMBAHASAN
Kinerja pada boiler mempunyai parameter seperti rasio  dan  efisiensi  yang  berkurang  terhadap waktu. Hal tersebut terjadi karena buruknya pada proses  pembakaran,  dan  buruknya  kinerja  boiler dipengaruhi  oleh  buruknya  kualitas  bahan  bakar dan  air.  Neraca  panas  dapat  membantu mengidentifikasi  kehilangan  panas  yang  dapat atau tidak dapat dihindari.
Penelitian  analisa  efisiens  fire  tube  boiler (Boiler Pipa Api) dilakukan pada boiler  yang ada di perusahaan minuman berkarbonasi. Hasil dari analisa  di  ambil  pada  kondisi  saat  ini,  dengan menggunakan  metode  input/output  (direct)  dan metode kehilangan panas (indirect).

## 4.1 Spesifikasi Fire Tube Boiler
Jenis Boiler : Fire Tube Boiler (pipa api) Manufaktur : BOSCH type UL-S 10000 Bahan Bakar : Natural Gas Kapasitas Boiler : 10 ton Tekanan Maksimal : 30 bar
Temperatur Maksimal  : 235 ̊C

## 4.2 Data Perhitungan Analisa

## a. Metode input-output (direct)
Mencari  efisiensi  boiler  dengan  menggunakan metode input-output (direct) dengan data dibawah ini:
 Jenis Bahan Bakar Gas Alam
 Jumlah  Steam  (kering)  yang      dihasilkan  3 ton/h
 Tekanan Steam (gauge)/suhu 6,3 bar/120 C
 Jumlah Pemakaian Gas 170 Nm3/h
 Suhu air umpan 65 0 C
 GCV Gas 12000 Kcal/kg
 Entalpy  Steam  (hg)  2706,3  kj/kg,  (646,8 Kcal/kg)
 Entalpy air umpan 272 kj/kg, (65 Kcal/kg)
Efisiensi Boiler = ( ) ( ∶ ) x 100
= ( , )
,
x 100 = 85%

## b. Metode kehilangan panas (indirect)
Efisiensi  dapat  dihitung  dengan  mengurangkan bagian  kehilangan  panas  dari  100%  sebagai berikut:
Efisiensi boiler (n) = 100 – (i + ii + iii + iv +   v + vi + vii)
Dimana  kehilangan  yang  terjadi  dalam  boiler adalah kehilangan panas yang di akibatkan oleh:
 Gas cerobong yang kering
 Penguapan  air  yang  terbentuk  karena  H2 dalam bahan bakar
 Penguapan kadar air dalam bahan bakar
 Adanya kadar air dalam udara pembakaran
 Bahan  bakar  yang  tidak  terbakar  dalam  abu terbang/ fly ash
 Bahan  bakar  yang  tidak  terbakar  dalam  abu bawah/ bottom ash
 Radiasi  dan  kehilangan  lain  yang  tidak terhitung
Tabel 1. Komposisi Gas Alam Methane CH 4 70-90% Ethane C 2 H 6 0-20% Propane C 3 H 8 0-20% Butane C 4 H 8 0-20% Carbon Dioksida CO 2 0-8% Oksigen O 2 0-0,2% Nitrogen N 2 0-5% Hydrogen Sulphide H 2 S 0-5% Rare Gas A,He,Ne,Xe Trace
4.3 Komposisi Gas Alam Komposisi Gas Alam 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Methane Ethane Propane Butane Carbon Dioksida Oksigen Nitrogen Hydrogen Sulphide Rare Gas Unsur Kimia P e r s en t a s e Terendah Tertinggi
Gambar 2. Komposisi gas alam

## 4.4 Pengolahan Data
Tabel 2. Data Metode input-output menentukan efisiensi DATA ANALISA BOILER NO . ITEM UNIT OPERASI 10 Ton 1 Steam flow t/h 3 2 Steam Pressure Bar 6,3 3 Steam Volume m 3 /h 210 4 Natural gas t/h 0,17 5 Steam Temperature ℃ 120 6 Feed Water Temperature ℃ 65 7 GCV Natural Gas Kcal/kg 12000 8 Make Up Water Entalphy Kcal/kg 65 9 Steam Entalphy Kcal/kg 646,8

## Tabel 3. Hasil Ultimate Natural Gas
NO. ITEM UNIT Pembacaan 1 Carbon wt% 75,07 2 Hydrogen wt% 22,89 3 Sulfur wt% 0 4 Oxygen wt% 0,65 Ultimate Natural Gas 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Carbon Hydrogen Sulfur Oksigen Unsur Kimia w t% Nilai Ultimate Natural Gas
Gambar 3. Nilai ultimate natural gas
Tabel 4. Hasil Pengukuran flue gas boiler 1 Oxygen percentage % 9,2% 2 CO 2 % 6,1% 3 Gas Exhaust Temperature ℃ 185% 4 Ambient Temperature ℃ 33% 5 Air Humidity kg/ kg Udara Kering 0,018 kg/kg Tabel 5. Nilai Kalor 1 LHV kcal/nm 3 12000 2 HHV kcal/nm 3 8000 4.5  Analisa Fire Tube Boiler kapasitas 10 t/h
 Tahap 1 :  Menghitung kebutuhan  udara teoritis
= [(11,43 x C) + {34,5 x (H 2 - O 2 /8)}  + (4,32 x S)] / 100
= [(11,43 x 75,07) + {34,5 x (22,89 – , )} + (4,32 x 0)] / 100
= , ,
= 8,80 kg udara/kg bahan bakar
 Tahap  2 :  Menghitung  persen  udara berlebih yang dipasok EA
=
= , , = 77,96 %
 Tahap 3 : Menghitung massa udara yang dipasok / kg bahan bakar (AAS)
= {1 + EA / 100} x Udara Teoritis
= { , } x 8,80
= 0,7896 x 8,80 = 6,94 kg udara / kg bahan bakar
 Tahap 4 : Memperkirakan seluruh kehilangan panas
a.  Persentase  kehilangan  panas  karena gas kering cerobong
= { ( )}
m = mass of CO 2 + mass of SO 2 + mass of N 2 + mass of O 2
= , + + , (0,092x 32) = 2,75 + 0 + 6,776 (2,94) = 12,46 kg/kg bahan bakar = , , ( )
x 100 = 3,63 %
b.  Kehilangan  panas  karena  penguapan kadara karena adanya H 2 bahan bakar
= ( ) = , ( )
= 12,1 %
c.  Kehilangan  panas  karena  kadar  air  dalam udara
= ( )
= , , , (
)
x 100
= 0,063 %
d.  Kehilangan  panas  karena  radiasi  dan kehilangan lain yang tidak terhitung

## Dari data pabrikan dengan nilai diperkirakan
= 2 %
Tahap  5 :  Menghitung  efisiensi  dan  rasio penguapan Boiler
Efisiensi Boiler (n) = 100 - (I + II + III + IV) = 100 – ( 3,63 + 12,1 + 0,063 + 2) = 100 – 17,79 = 82,21 % Rasio penguapan = Panas yang digunakan untuk pembangkit  steam/Panas  yang  ditambahkan  ke steam = GCV Bahan bakar x efisiensi / (HHV-LHV)
=
, = 2,4 %
4.6 Evaluasi Hasil Analisa dan Perhitungan
Tabel 6. Hasil Analisa Metode input-output (direct)

## NO DESKRIPSI
PEMBACAAN SATUAN
1 Efisiensi Boiler (n) 85 %
Tabel 7. Hasil Analisa Metode Kehilangan panas (indirect) TAHAPAN DESKRIPSI SATUAN LOAD 10 Ton Tahap 1 Kebutuhan udara teoritis Kg air/ kg fuel 8,80 Tahap 2 Persentase kelebihan udara yang dipasok (Excess Air) % 77,96
Tahap 3 Massa udara sebenarnya yang dipasok / kg bahan bakar (AAS) Kg  air/kg fuel 6,94 Tahap 4 Memperkirakan seluruh kehilangan panas % 17,793 - Loss 1 Persentase kehilangan panas karena gas kering cerobong % 3,63 - Loss 2 Kehilangan panas karena penguapan kadar air karena adanya H2 dalam bahan bakar % 12,1 - Loss 3 Kehilangan panas karena kadar air dalam udara % 0,063 - Loss 4 Kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung % 2 Tahap 5 Efisiensi Boiler dan Rasio penguapan Boiler % 82,21 Rasio Rasio Penguapan Panas % 2,4
Perbandingan Antara Kebutuhan Udara Dengan Massa Udara Yang Di Pasok 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kebutuhan Udara Teoritis Massa Udara Sebenarnya (AAS) Udara K g a ir / K g f ue l Massa Udara
Gambar 4. Perbandingan kebutuhan udara dengan massa udara
Memperkirakan Seluruh Kehilangan Panas 0 2 4 6 8 10 12 14 Loss 1 Loss 2 Loss 3 Loss 4 Loss Pe r s e nt a s e Kehilangan Panas
Gambar 5. Kehilangan panas
a. Surface heat loss Diketahui: Ts = 120 C Ta = 33 C Ditanya: q (surface heat loss) q = 10 + {(Ts-Ta) / 20} x (Ts-Ta) x (4,2/3,6) = 10 + {(120-33) / 20} x (120-33) x (4,2/3,6) = 10 + (4,4 x 101) = 1449,35 Watt/m 2
b. Exposed Area for Heat Loss Diketahui:
Diameter pipa (d) = 125 mm Panjang Pipa (L)  = 150 m
Dicari A exposed area for heat loss A = 3,1 x (d/1000) x L = 3,1 x (125/1000) x 150 = 3,1 x 0,125 x 150 = 58,125 m 2

## 5. KESIMPULAN
Dari  hasil  analisa  perhitungan-perhitungan  yang telah  dilakukan  pada  Ketel  Uap  (boiler)  pipa  api dapat disimpulkan sebagai berikut:
Bahwa    analisa      kinerja    boiler    dapat dimaksimalkan    kinerjanya    dan  efisiensinya meningkat    untuk    mengurangi    pemborosan bahan  bakar  dengan  meningkatkan  suhu  air umpan  menggunakan economizer (Sisa  panas yang dikembalikan menjadi feed water ).

## 6. SARAN
Langkah–langkah  penghematan  energy  dapat ditekan dengan meningkatkan efisiensi peralatan. Untuk  meningkatkan  efsiensi  dari  boiler  dapat dilakukan adalah dengan cara mengurangi faktor –  faktor  kehilangan  panas  (Heat  Loss).  Seperti penurunan    5    persen    udara    berlebih meningkatkan  efisiensi  boiler  sebesar  1  pesen (atau  1  persen  penurunan residu oksigen dalam gas  cerobong  meningkatkan  efisiensi  boiler sebesar 1 persen).
Juga  menurunkan  suhu  gas  buang  sebesar 22 o C meningkatkan efisiensi  boiler  1 persen dan menaikan 6 o C suhu air umpan karena penggunaan economizer / pemanfaatan  kembali kondensat,  terdapat  penghematan  bahan  bakar boiler 1 persen (energyefficiencyasia)

## DAFTAR PUSTAKA
1.  Djokosetyardjo.M.J, 2006, ’’Ketel Uap’’ Cetakan ke-6, PT Pradnya Paramita,
Jakarta.
2.  Harijono Djojodihardjo, 1987, “Termodinamika Teknik” PT Gramedia, Jakarta.Karassik, I.J. (1976). Pump Handbook . Mc.Graw-Hill Book Company. New York.
3.  Riyaz Papar, P.E., CEM dan Greg Harrell. Ph.D., P.E., 2013 “Industrial Steam System Optimization”.
4.  Pedoman Efisiensi Energi untuk industry di Asia.
5.  UNEP,2006, “Boiler & Pemanas Fluida Thermis” United Nation Environment Program.
6.  Eflita Yohana, 2009. “ Perhitungan Efisiensi dan konversi dari bahan Bakar Solar ke Gas pada boiler Ebara HKL 1800 KA”. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro.
7.  Perhitungan Efisiensi Boiler (ASME PTC 4.1) Institut Teknologi Sepuluh November.
8.  Henry Yose,2010. “Analisa Efisiensi CFB Boiler Terhadap Kehilangan Panas pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap”. Fakultas Teknik Jurusan Teknik
Mesin Universitas Mercu Buana.