MAKALAH PERPINDAHAN KALOR BOILER KELOMPOK 2 PARAREL C 1. Syamsa Bakti Fordini 19031010110 2. Merry Jhoe Stefhanny M 19031010114 3. Galang Ananda P 19031010117 4. Aiman Anas Bobsaid 19031010118 5. Kezia Wulandari 19031010123 DOSEN PENGAMPU: Ir. Caecilia Pujiastuti, MT PERPINDAHAN KALOR PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UPN “VETERAN” JAWA TIMUR SURABAYA 2021 Nama NPM Pararel : Galang Ananda Putra : 19031010117 :C TTD KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa, atas berkat danrahmat-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah Perpindahan Kalor ini dengan judul “Boiler”. Makalah ini merupakan salah satu tugas mata kuliah Perpindahan Kalor yang diberikan pada semester IV. Makalah ini disusun berdasarkan teori dari literatur dilaksanakan pada tanggal 17 Februari 2021. Makalah ini tidak dapat tersusun sedemikian rupa tanpa bantuan baik sarana, prasarana, pemikiran, kritik dan saran. Oleh karena itu, tidak lupa kami ucapkan terima kasih kepada: 1. Ibu Ir. Caecilia Pujiastuti, MT selaku dosen pengmpu pelajaran Perpindahan Kalor 2. Rekan – rekan mahasiswa yang membantu dalam memberikan masukanmasukan dalam makalah ini. 3. Dan kepada literatur, jurnal nasional dan buku sebagai bahan referensi kelompok kami. Kami sangat menyadari dalam penyusunan makalah ini masih banyak kekurangan. Maka dengan rendah hati, kami selalu mengharapkan kritik dan saran, dosen yang turut membantu dalam pelaksaan kesempurnaan makalah ini, dan penyusun mengharapkan makalah yang telah disusun ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa Fakultas Teknik khususnya jurusan Teknik Kimia. Surabaya, 17 Februari 2020 Penulis ii DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................................ ii DAFTAR ISI .......................................................................................................... iii BAB I ...................................................................................................................... 1 PENDAHULUAN .................................................................................................. 1 I.1. Latar Belakang ......................................................................................... 1 I.2. Tujuan ....................................................................................................... 1 I.3. Manfaat ..................................................................................................... 2 BAB II ..................................................................................................................... 3 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... 3 II.1. Panas atau Kalor ....................................................................................... 3 II.2. Mekanisme Pepindahan Kalor .................................................................. 3 II.3. Boiler ........................................................................................................ 6 II.4. Komponen-Komponen Pada Boiler ......................................................... 8 II.5. Klasifikasi Boiler ...................................................................................... 8 II.6 Mekanisme Perpindahan Kalor Pada Boiler........................................... 13 II.7 Uap (Steam) ............................................................................................ 16 II.8 Efisiensi Boiler ....................................................................................... 17 II.9 Keuntungan dan Kerugian Boiler ........................................................... 17 II.10 Aplikasi Boiler Pada Industri ................................................................. 19 BAB III ................................................................................................................. 21 KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................. 21 III.1. Kesimpulan ......................................................................................... 21 III.2. Saran ................................................................................................... 21 DAFTAR PUSTAKA iii BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Dewasa ini instalasi tenaga uap sekurang-kurangnya terdiri dari pembangkit uap atau yang dikenal dengan sebutan ketel uap yang berfundasi sebagai sarana untuk mengubah air menjadi uap bertekanan. Ketel uap dalam bahasa inggris disebut dengan nama boiler berasal dari kata boil yang berarti mendidihkan atau menguapkan, sehingga boiler dapat diartikan sebagai alat pembentukan uap yang mampu mengkonversi energi kimia dari bahan bakar padat (padat cair dan gas) yang menjadi energi panas. Uap atau steam diperoleh dengan memanaskan bejana yang berisi air dengan bahan bakar. Pada umumnya boiler memakai bahan bakar cair (residu, solar), padat (batu bara), atau gas. Air di dalam boiler dipanaskan oleh panas dari hasil pembakaran bahan bakar (sumber panas lainnya) sehingga terjadi perpindahan panas dari sumber panas tersebut ke air yang mengakibatkan air tersebut menjadi panas atau berubah wujud menjadi uap. Uap yang disirkulasikan dari boiler digunakan untuk berbagai proses dalam aplikasi industri, seperti untuk penggerak, pemanas, dan lain-lain. Pengoperasian Boiler harus sesuai dengan standar operasi yang telah ditentukan oleh pengguna boiler maupun standar pabrikan pembuat boiler itu sendiri. Standar yang dibuat akan menjamin keamanan dan kehandalan operasi boiler pada saat dioperasikan, sehingga akan meningkatkan efisiensi sekaligus menekan biaya operasional. Pemeliharaan boiler juga harus dilakukan sesuai dengan jadwal yang telah dibuat oleh perusahaan pengguna, yang meliputi pemeliharaan harian, mingguan, bulanan sampai dengan tahunan (Mayor Overhaul). Perawatan yang baik pada boiler dapat menjamin umur teknis dan umur ekonomis yang relatif panjang. I.2. Tujuan 1. Untuk mengetahui mengenai defenisi panas atau kalor 2. Untuk mengetahui mekanisme perpindahan panas pada alat Boiler 3. Untuk mengetahui aplikasi atau pemanfaatan alat Boiler pada dunia industri 1 I.3. Manfaat 1. Agar dapat mengetahui definisi terkait panas atau kalor 2. Agar dapat memahami mengenai mengenai komponen-komponen pada alat Boiler 3. Agar dapat mengetahui klasifikasi pada alat Boiler 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Panas atau Kalor Panas atau kalor didefinisikan sebagai energi yang berpindah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu rendah. Satu kalori menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan satu kg air sehingga suhunya naik sebesar 1 derajat. Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, kalor dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan kalor dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah (Wahyu, 2016). II.2. Mekanisme Pepindahan Kalor Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu 1. Konduksi Gambar II.1 Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng 3 Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai: 𝑑𝑇 𝑞 = −𝑘 𝐴 𝑑𝑋 .........................................................(1) Dimana: q 𝑑𝑇 𝑑𝑋 : laju perpindahan kalor (W) : gradien suhu perpindahan kalor k : konduktifitas thermal bahan (W/m.K) A : luas bidang perpindahan kalor (m2) 2. Konveksi Gambar II.2. Perpindahan panas dari plat panas Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida. Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kecepatan fluida yang mengalir di permukan plat panas mempengaruhi temperatur disekitar permukaan plat tersebut. Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan panas konveksi diklasifikasikan menjadi dua, yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan. panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free atau natural convection). Bila gerakan fluida 4 disebabkan oleh gaya pemaksa atau eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection). Laju perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai: q= h A (Ts -T∞) .....................................................(2) Dimana: h : koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 .K) A : luas penampang (m2) Ts : temperatur plat (K) T∞ : temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) 3. Radiasi Gambar II.3. Perpindahan panas secara radiasi Perpindahan panas radiasi adalah proses di mana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan jika terdapat ruang hampa di antara benda-benda tersebut. Radiasi merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang 5lectromagnet (atau photons). Holman menjabarkan laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan sebagai: Q= ε A σ (Ts4 – Tsur 4).............................................(3) Dimana: ε : emisivitas (sifat radiasi pada permukaan) A : luas permukaan (m2) σ : konstanta Stefan-Boltzman (5,67, 108 W/m2 .K4 ) 5 Ts : temperatur absolute permukaan (K) Tsur : temperatur sekitar (K) (Saleh, 2015) II.3. Boiler Gamabr II.4 Alat Boiler Boiler merupakan mesin kalor (thermal engineering) yang mentransfer energienergi kimia atau energi otomis menjadi kerja (usaha). Boiler atau ketel uap adalah suatu alat berbentuk bejana tertutup yang digunakan untuk menghasilkan uap. Uap diperoleh dengan memanaskan bejana yang berisi air dengan bahan bakar. Boiler mengubah energi-energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalor dari suatu sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahan bakar. Boiler berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang mengkonversikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas (Nurhasanah, 2017). Boiler merupakan suatu pembangkit uap yaitu yang terdiri dari kombinasi komplek berupa economizer, ketel, pemanas lanjut, pemanas ulang, dan pemanas udara awal. Sebagai tambahan sistem ini, khususnya yang dengan bahan bakar batubara, mempunyai berbagai perlengkapan seperti ruang bakar, pulverizer, pembakar, fan, perlengkapan pengendali emisi, cerobong, dan peralatan penanganan abu. Ketel adalah bagian dari pembangkit uap dimana air jenuh diubah mejadi uap jenuh, walaupun mungkin sulit memisahkannya dengan ekonomiser. Pada beberapa literatur, istilah ketel uap (boiler) kadang-kadang digunakan untuk mengartikan 6 pembangkit uap (Nasikin, 2016). Uap yang di hasilkan oleh boiler di gunakan sebagai: 1. Penggerak pesawat uap (sistem engine) yang disebut turbin. 2. Pemanasan . 3. Rebusan (Sterilizer). 4. Pengadukan (Digester). 5. Tangki-tangkiminyak yang ada di pabrik. 6. Kernel storage. 7. Serta tenaga listrik dalam pabrik Energi kalor yang dibangkitkan dalam system boiler memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan steam yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem boiler mengenal keadaan tekanan-temperatur rendah (low pressure/LP), dan tekanan-temperatur tinggi (high pressure/HP), dengan perbedaan itu pemanfaatan steam yang keluar dari sistem boiler dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanasakan cairan dan menjalankan suatu mesin (commercial and industrial boilers), atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik (power boilers). Namun, ada juga yang menggabungkan kedua sistem boiler tersebut, yang memanfaatkan tekanan temperatur tinggi untuk membangkitkan energy listrik, kemudian sisa steam dari turbin dengan keadaan tekanan-temperatur rendah dapat dimanfaatkan ke dalam proses industri (Parinduri, 2019). Syarat-syarat boiler yang ideal, yaitu: 1. Dapat menghasilkan jumlah uap yang maksimum dengan jumlah bahan bakar yang minimum. 2. Kapasitas uap dan tekanan kerja harus konstan. 3. Perangkat pembakaran mampu membakar unsur-unsur bahan bakar secara sempurna sehingga di dapat hasil yang optimal. 4. Sirkulasi air harus baik agar diperoleh suhu yang merata pada seluruh bagian ketel, maka penyerapan kalor oleh air lebih efektif. 7 5. Konstruksi ketel sederhana, sehingga biaya pembuatan, operasi dan perawatan lebih ekonomis dan hemat tempat. 6. Alat-alat perlengkapan ketel harus berfungsi dengan baik sehingga ketel dapat beroperasi dengan baik dan aman. II.4. Komponen-Komponen Pada Boiler Sistem ketel uap ini terdiri dari beberapa bagian yaitu, sistem air bahan bakar, sistem uap panas dan sistem feed water. Sistem bahan bakar merupakan seluruh sistem keperluan untuk memanaskan sebuah ketel uap sedangkan peralatan bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar tersebut. Sistem feed water (air umpan) merupakan sistem boiler yang menyuplai segala keperluar air kedalam drum boiler. Sistem uap panas / steam merupakan system yang menampung kebutuhan steam dan mengontrolnya sesui kebutuhan produksi, serta mengatur tekanan steam sesuai keperluan produksi. Boiler pada dasarnya terdiri dari drum yang tertutup ujung dan pangkalnya dan dalam perkembangannya dilengkapi dengan pipa api maupun pipa air. Boiler terdiri dari 2 komponen utama, yaitu : 1. Furnace (ruang bakar) sebagai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas. 2. Steam Drum yang mengubah energi pembakaran (energi panas) menjadi energi potensial steam (energi panas). II.5. Klasifikasi Boiler A. Klasifikasi berdasarkan fluida yang mengalir didalam pipa 1. Fire tube boiler (ketel pipa api) Boiler pipa api merupakan pengembangan dari ketel lorong api dengan menambah pemasangan pipa –pipa api, dimana gas panas hasil pembakaran dariruang bakar mengalir didalamnya, sehingga akan memanasi dan menguapkan air yang berada di sekeliling pipa –pipa api tersebut. Pipa - pipa api berada atau terendam didalam air yang akan diuapkan. Volume air kira – kira ¾ dari tangki ketel. Jumlah pass dari boiler tergantung dari jumlah laluan vertikal dari pembakaran diantara furnace dan pipa –pipa api. Laluan gas 8 pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri pengolahan mulai skala kecil sampai skala menengah. Keuntungan boiler pipa api, yaitu: 1. Tidak membutuhkan air isian boiler dengan kualitas yang tinggi. 2. Konstruksi sederhana sehingga perawatan lebih mudah. 3. Endapan lumpur lebih mudah dibersihkan. Kelemahan boiler pipa api, yaitu: 1. Pemanasan awal membutuhkan waktu lama. 2. Tekanan uap yang dihasilkan rendah. 3. Kapasitas uap yang dihasilkan kecil. 2. Water tube boiler (ketel pipa air) Pada Ketel pipa air, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakaran membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Ketel ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus ketel untuk pembangkit tenaga listrik.Untuk ketel pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristik ketel pipa air sebagai berikut: 1. Force, induce dan balance draft membantu untuk meningkatkan efisiensi. 2. Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari pengolahan air. 3. Memungkinkan untuk tingkat effisiensi panas yang lebih tinggi. Keuntungan boiler pipa air, yaitu: 1. Sanggup bekerja dengan tekanan tinggi. 2. Berat boiler yang relatif ringan. 3. Kapasitas yang besar. 4. Dapat dioperasikan dengan cepat, jadi dalam waktu yang singkat telah dapat memproduksi uap. Kelemahan dari boiler pipa air, yaitu: 9 1. Kontruksi boiler sudah tidak sederhana lagi, sehingga perawatan lebih sulit dilakukan. 2. Menuntut air isian harus selalu bersih, agar tidak tejadi pembentukan batu ketel. 3. Perencanaan lebih sulit sehingga harganya mahal. (a) (b) Gambar II.5. (a) Boiler Babcock & Wilcox, (b) Boiler Benson B. Klasifikasi berdasarkan pemakaiannya 1. Ketel Stasioner (Stasionary boiler) atau Ketel Tetap Merupakan ketel-ketel yang didudukan di atas fundasi yang tetap, seperti ketel untuk pembangkit tenaga, untuk industri dan lain-lain sebagainya. Contohnya: steam power plant dan penghasil uap untuk proses pemanasan atau pemisahan di pabrik kelapa sawit dan pabrik gula. Gambar II.6. Stationary Boiler 10 2. Ketel Mobile (Mobile Boiler Merupakan ketel yang dipasang fundasi yang berpindah-pindah (mobil), seperti boiler lokomotif, lokomobil, dan ketel panjang serta lain yang sebagainya termasuk ketel kapal (marine Boiler). Gambar II.7. Mobile Boiler C. Klasifikasi berdasarkan letak dapur (Furnace positition) 1. Ketel dengan pembakaran didalam (internally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi) di bagian dalam ketel. Kebanyakan ketel pipa api memakai sistem ini. 2. Ketel dengan pembakaran diluar (ourtenally fired steam boiler), dalam hal ini dapur berada (pembakaran terjadi dibagian luar ketel), kebanyakan ketel pipa air memakai sistem ini. (a) (b) Gambar II.8. (a) internally fired steam boiler, (b) ourtenally fired steam boiler 11 D. Klasifikasi berdaarkan jumlah lorong (Boiler tube) 1. Ketel dengan lorong tunggal (Single tube steam boiler). Pada single tube steam boiler, hanya terdapat satu lorong saja, apakah itu lorong api atau saluran air saja. Cornis boiler adalah single fire tube boiler dan simple vertical boiler adalah single water tube boiler. Gambar II.9. Cornish Boiler E. Ketel dengan lorong ganda (Multi tubuler steam boiler) Multi fire tube boiler misalnya ketel scotch dan Multi water tube boiler misalnya ketel B & W dan lain – lain. Gambar II.10. Multi tubuler steam boiler 12 F. Klasifikasi berdasarkan sistem peredaran air ketel (water circulation) (a) (b) Gambar II.11. (a) natural circulation steam boiler, (b) forced circulation steam boiler 1. Ketel dengan peredaran alam (natural circulation steam boiler). Pada natural circulation boiler, peredaran air didalam ketel terjadi secara alami, yaitu air yang ringan naik sedang yang berat turun, sehingga terjadilah aliran conveksi alami. Umumnya ketel beroperasi secara aliran alami, seperti ketel lancarshire, Babcock & Wilcox dan lain – lain. 2. Ketel dengan peredaran paksa (forced circulation steam boiler) Pada ketel dengan aliran paksa (Forced circulation steam boiler), aliran paksa diperoleh dari sebuah pompa centrifugal yang digerakkan dengan electric motor. misalnya sistem aliran paksa dipakai pada ketel – ketel yang bertekanan tinggi seperti La – Mont boiler, Benson Boiler, Loeffer Boiler dan Velcan Boiler (Muzaki,2019). II.6 Mekanisme Perpindahan Kalor Pada Boiler Perpindahan panas atau kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Pehitungan laju perpindahan panas membutuhkan perhitungan total pada area permukaan yang terkena panas. Oleh karena itu, dibutuhkan beberapa data, seperti data temperatur. 13 1. Perpindahan panas secara konduksi Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas yang disebabkan perbedaan temperatur dan bergantung pada aktivitas level atom atau molekuler. Konduksi digambarkan sebagai perpindahan panas yang terjadi dari partikel yang berenergi lebih tinggi ke partikel yang berenergi lebih rendah dari suatu media sebagai akibat dari interaksi antar partikel tersebut. Untuk menghitung laju perpindahan diperlukan persamaan yang sesuai dengan mode dari perpindahan panas tersebut. Persamaan laju perpindahan panas konduksi satu dimensi pada dinding datar dikenal dengan persamaan (hukum) Fourier’s Law, yaitu: 𝑑𝑇 𝑞𝑥 = −𝑘 𝐴 𝑑𝑋 .........................................................(4) Dimana, qx : laju perpindahan panas ke arah sumbu x positif k : konduktivitas panas adalah karakteristik individu material dinding A : luasan penampang yang tegak lurus dengan arah perpindahan panas (m2) 𝑑𝑇 𝑑𝑋 : gradient temperatur Tanda minus adalah konsekuensi bahwa panas berpindah dari lokasi yang bertemperatur tinggi ke yang lebih rendah. 2. Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindaan panas yang terjadi antara permukaan zat dengan fluida yang bergerak dan keduanya mempuyai perbedaan temperatur. Selain itu, perpindahan panas secara konveksi dikategorikan berdasarkan terjadinya aliran fluida. Jika aliran fluida disebabkan oleh faktor eksternal; seperti pompa dan fan atau blower; maka disebut konveksi paksa, dan jika aliran fluida dihasilkan oleh tarikan gaya buoyancy yang dihasilkan oleh adanya variasi massa jenis fluida maka disebut konveksi bebas. Laju perpindahan panas konveksi secara didapat dengan menggunakan (hukum) newton’s law of cooling, yaitu: q = h A (Ts-T).......................................................(5) Dimana, q : laju perpindahan panas konveksi, (Watt) 14 𝑊 h : koefisien perpindahan panas konveksi, (𝑚2/𝑘 ) A : luasan penampang yang tegak lurus dengan arah perpindahan panas (m2) Ts : temperatur permukaan padat, (K) T : temperatur rata-rata fluida, (K) 3. Perpindahan Panas Akibat Aliran Fluida Di Dalam Pipa Perpindahan panas akibat aliran fluda yang terjadi di dalam pipa merupakan aliran internal dimana boundary layer tidak memungkinkan untuk berkembang dikarenakan dibatasi oleh surface. Untuk menghitung nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi didalam tube sama dengan menghitung nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi didalam tube, dengan persamaan sebagai berikut, ℎ𝑖 = 𝑁𝑢𝐷 𝑥 𝑘 𝐷 ......................................................(5) Dimana, 𝑊 hi : koefisien konveksi di luar tube (𝑚2/𝑘 ) NuD : nusselt number k : konduktifitas thermal (𝑚/𝑘 ) D : diameter luar tube (m) 𝑊 Pada aliran internal ini terdapat 2 jenis aliran, yaitu: Aliran laminar Aliran ini terjadi jika nilai dari ReD < 2300. Perpindahan panas pada aliran ini dapat ditinjau dari heat flux permukaan konstan dan temperatur permukaan konstan. Pada saat aliran internal pada tube dengan karakterstik uniform surface, heat flux, dan laminar fully develop conditions; nusselt number konstan dan tidak bergantung pada ReD, Pr, dan axial location Aliran turbulen Aliran ini terjadi jika nilai ReD ≥ 2300. Di dalam aliran ini untuk menghitung nusselt number dapat dicari dengan menggunakan persamaan dittus-boelter. Dengan pengaruh jenis perpindahan panas menjadi salah satu faktor yang diperhitungkan (cooling atau heating). 15 4. Perpindahan Panas Akibat Aliran Fluida Di Luar Pipa Perpindahan panas akibat aliran fluda yang terjadi di luar pipa dari shell and tube heat exchanger dianalisa berdasarkan analisa perpindahan panas secara konveksi yang melewati susunan tube pada shell and tube heat exchanger. Besarnya koefisien perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh tingkat turbulensi aliran dan jumlah baris pada 14 tiap tube. Tingkat turbulensi pada aliran dapat ditingkatkan dengan mengatur susunan-susunan tube. Ada dua jenis susunan tube yaitu susunan aligned dan staggered (Fauziyah, 2015). II.7 Uap (Steam) Uap atau steam merupakan gas yang dihasilkan dari proses yang disebut penguapan. Bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan steam adalah air bersih. Air dari water treatment yang telah diproses dialirkan menggunakan pompa ke tangki deaerator hingga pada level yang telah ditentukan. Pemanasan dalam deaerator adalah dengan menggunakan steam sisa yang berasal dari hasil pemutar turbin. Dengan meningkatnya suhu dan air telah mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuat sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, dapat diambil kesimpulan bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dangan yang lain. Ruang yang secara tibatiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang padat. Dalam hal ini perebusan air dalam boiler adalah air yang melalui deaerator yang telah melalui pemanasan didalamnya yang dialirkan ke drum boiler (penampung steam) dan kemudian disuplai kedalam boiler untuk dipanaskan lebih lanjut sehingga menjadi steam basah. Suhu didalam boiler ini adalah sekitar 400 oC - 459 o C. Setelah proses yang tejadi di dalam boiler ini, aliran steam dilanjutkan ke superheater untuk menjadikan uap kering, suhu steam saat itu sekitar 520 oC – 600 o C dan siap disalurkan untuk memutar turbin. Jika jumlah molekul yang 16 meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air akan menguap dengan bebas. Pada keadaan ini air telah mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekananya tetap penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air akan membentuk steam jenuh. Pada tekanan atmosfer suhu jenuh air adalah 100 oC, tetapi jika tekananya bertambah maka akan ada penambahan lebih banyak panas dan peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuhnya (Putri, 2016). II.8 Efisiensi Boiler Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan. Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler: a. Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. b. Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi yang masuk. (Prayudi, 2006) II.9 Keuntungan dan Kerugian Boiler A. Keuntungan 1. Konfigurasi yang dibuat, memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil. 2. Mempunyai perancangan mekanik dan bentuk yang baik sehingga dapat digunakan untuk operasi bertekanan tinggi. 3. Dapat dibuat dengan menggunakan berbagai jenis material, disesuaikan dengan temperatur dan tekanan operasinya. 4. Proses perawatannya mudah. 17 5. Metode perancangan sangat terstruktur dan menggunakan teknik pabrikasi yang canggih. 6. Pemakaian ruangan relatif kecil karena konstruksinya yang sederhana. 7. Untuk mengoperasikannya tidak rumit dan sangat mudah dipelajari. 8. Konstruksinya yang cukup baik sangat membantu sekali salah satunya dalam hal pengangkutan. B. Kerugian 1. Kemampuan untuk dibersihkan (cleanabiity) Jika dibandingkan cara membersihkannya, sisi shell lebih sulit untuk dibersihkan dibandingkan dengan sisi tube. Oleh karena itu, fluida yang bersih pada umumnya dialirkan di dalam shell dan fluida yang kotor dialirkan di dalam tube. 2. Korosi Fluida yang bersifat korosif sebaiknya dialirkan di dalam tube, dengan pertimbangan terutama dalam segi harga. Menyediakan pipa tahan karat tentunya akan lebih murah bila dibandingkan dengan menyediakan tube dan shell tahan karat. Apabila fluida korosif dialirkan di dalam shell maka fluida tersebut akan membuat korosi tidak hanya pada bagian shell, tetapi juga pada bagian permukaan luar tube. 3. Tekanan operasi Fluida yang bertekanan tinggi sebaiknya dialirkan di dalam tube karena apabila fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam shell akan menyebabkan diperlukannya shell dengan diameter yang lebih besar dan dinding yang tebal. Hal ini akan menyebabkan biayanya menjadi lebih mahal. 4. Temperatur Fluida yang bersuhu tinggi sebaiknya dialirkan di dalam tube karena akan menurunkan tegangan termal yang diperbolehkan pada material reboiler. Hal ini akan berpengaruh pada hal yang sama seperti fluida yang bertekanan tinggi yang apabila dialirkan di dalam shell akan memerlukan dinding yang tebal. Selain itu faktor keamanan pekerja juga harus diperhatikan, diperlukan penambahan isolasi peralatan apabila fluida panas 18 dialirkan di dalam shell dan ini akan menyebabkan biaya pembuatannya menjadi lebih mahal 5. Jumlah aliran fluida Suatu reboiler dapat dikatakan baik apabila diperoleh aliran fluida yang kecil. Aliran fluida yang kecil sebaiknya dialirkan di dalam shell, akan tetapi hal ini akan mempengaruhi jumlah laluan aliran dan konsekuensinya kerugian dan penurunan tekanannya akan lebih besar (Hadid, 2017) II.10 Aplikasi Boiler Pada Industri 1. Pada Industri Tahu Menurut sudarman pada tahun 2015, banyak industri tahu yang masih menggunakan proses pembuatan secara tradisional, yaitu perebusan secara langsung dengan bahan bakar kayu. Kelemahan cara ini adalah dapur banyak mengeluarkan asap yang dapat berpengaruh pada rasa tahu (menjadi sangit). Selain itu proses memerlukan waktu lama, dimana setiap proses selalu dimulai dari awal sehingga tidak efisien. Untuk mengatasi kelemahan perebusan secara langsung di atas dapat dilakukan dengan penerapan ketel uap dimana perebusan dilakukan secara tidak langsung. Kelebihan perebusan dengan ketel uap adalah tahu akan bebas dari bau sangit karena asap proses pembakaran. Hal ini disebabkan tungku atau dapur pembakaran ketel uap dapat diletakkan secara terpisah yang jauh dari adonan tahu. Selain itu alat ini lebih higienis, proses pemanasan juga lebih cepat, dan menurut penuturan perajin, rasanya lebih enak. 2. Pada Industri Batu Bata Boiler merupakan alat industri yang digunakan untuk mendidihkan zat cair (air) dan mengubahnya menjadi uap. Uap yang dihasilkan tersebut bukan sekadar hawa panas seperti yang dihasilkan ceret ketika mendidihkan air panas, melainkan tenaga panas yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Pabrik batu bata juga bisa menggunakan uap panas dalam skala besar untuk proses produksinya. Adapun caranya adalah dengan mencampurkan bahan-bahan dasar seperti pasir, air, dan kapur. 19 3. Penggerak Generator Pada Bidang Industri Kegunaan boiler lainnya adalah untuk penggerak generator, yang memanfaatkan energi kalor atau panas untuk menyuplai daya yang dibutuhkan oleh industri untuk proses produksinya. Penggunaannya juga dinilai lebih hemat energi dan efisien, karena tidak perlu menggunakan listrik yang tentunya lebih mahal. Oleh karena itu, kegunaan boiler untuk menghemat daya bisa Anda pertimbangkan. (Sudarman, 2015) 20 BAB III KESIMPULAN DAN SARAN III.1. Kesimpulan Berdasarkan penjelasan diatas mengenai perpindahan panas pada Boiler, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Panas atau kalor didefinisikan sebagai energi yang berpindah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu rendah. Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, kalor dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. 2. Mekanisme perpindahan kalor pada boiler ada 4 yaitu secara konduksi, konveksi, aliran fluida di dalam pipa dan aliran fluida di luar pipa 3. Aplikasi atau penerapan Boiler dalam dunia industri sangat banyak, diantaranya yaitu pembuatan tahu, industri batu bata, dan penggerak generator pada Industri III.2. Saran 1. Dengan diketahui konsep mengenai perpindahan panas dalam makalah ini agar dapat bermanfaat di kehidupan sehari hari 2. Adanya alat perpindahan panas boiler agar dapat memberi informasi yang dapat dimanfaatkan di bidang industri 21 DAFTAR PUSTAKA Fauziyyah, 2015, “Analisi Perpindahan Panas Pada Kondensor Unit IV PLTU di PT.PJB UP Gresik”, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh November Hadid 2017, 'Analisis reboiler Tipe Shell And Tube Untuk Sistem Destilasi Bioetanol Yang Terintegrasi Dengan Turbin Gas Mikro Bioenergi Proto X2', Jurnal Teknik Mesin, Vol.1, No. 1, hh 43-44,49-50 Muzaki, I, Mursadin, A 2019, ’Analisis Efisiensi Boiler Dengan Metode InputOutput Di Pt. Japfa Comfeed Indonesia Tbk. Unit Banjarmasin’, Sjme Kinematika, Vol. 4, No. 1, hh. 37-46 Nasikin, R 2016, ‘Analisa Pengaruh Nilai Kalor Bahan Bakar Fibre Dan Cangkang Terhadap Efisiensi Boiler Pipa Air’, Jurnal Teknik Mesin Ubl, Vol.3, No. 2, hh. 27-30. Nurhasanah, R 2017, ’Perancangan Boiler Dengan Memanfaatkan Sampah Kering Untuk Bahan Bakar PLTU Mini 3 Kw STT-PLN’, Jurnal Power Plant, Vol. 5, No. 1, hh. 1-10. Parinduri, L, Arfah, M 2019,’ Pendekatan Energi Dalam Pengelolaan Limbah Pabrik Kelapa Sawit Studi Kasus PT. Perkebunan Nusantara IV Kebun Adolina’, Journal of Electrical Technology, Vol. 4, No. 2, hh. 85-92. Putri, 2016, “Boiler”, Fakultas Teknik Industri, Universitas Pembangunan Negeri “Veteran” Yogyakarta Prayudi, T, 2006, ‘Perhitungan Efisiensi Boiler Pada Industri Tepung Terigu’, Jurnal Teknik Lingkungan, hal 56-58 Saleh, A., 2015, Perpindahan Kalor, Universitas Diponogoro, Semarang Sudarman, 2015, ‘Penerapan Ketel Uap (Steam Boiler) Pada Industri Pengolahan Tahu Untuk Meningkatkan Efisiensi Dan Kualitas Produk’, Jurnal Sains Dan Teknologi, Vol. 13, No.1, hal 72 Wahyu, N. A., 2016, 'Pengembangan Lembar Kerja Siswa (LKS) Berbasis Discovery Learning Untuk Meningkatakan Life Skill Siswa Sma Pada Pokok Bahasan Suhu Dan Kalor Metabolisme Protein,Nuraini', Jurnal UNNES, Vol.1, No.1, Hh. 2.
