Pengertian Boiler

Pengertian Boiler

Boiler merupakan mesin kalor (thermal engineering) yang menstransfer energi –energi kimia atau energi otomis menjadi kerja (usaha) (Muin 1988:28). Boiler  atau  ketel steam adalah suatu  alat berbentuk bejana tertutup yang digunakan  untuk menghasilkan steam.

{tocify} $title={Daftar Isi Artikel}

Steam  diperoleh  dengan  memanaskan bejana yang berisi air dengan bahan bakar (Yohana dan Askhabulyamin 200:13). 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 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).

Boiler pada dasarnya terdiri dari drum yang tertutup ujung dan pangkalnya dan  dalam  perkembangannya  dilengkapi  dengan  pipa  api  maupun  pipa  air. Banyak orang yang mengklasifikasikan ketel steam tergantung kepada sudut pandang masing – masing (Muin 1998 :8).

2.2  Boiler Pipa Api ( Fire Tube Boiler)

Boiler pipa api merupakan pengembangan dari ketel lorong api dengan menambah pemasangan pipa –pipa api, dimana gas panas hasil pembakaran dari ruang 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 tangka ketel.

Jumlah pass dari boiler tergantung dari jumlah laluan vertikal dari pembakaran diantara furnace dan pipa –pipa api. Laluan gas pembakaran pada furnace dihitung sebagai pass pertama boiler jenis ini banyak dipakai untuk industri pengolahan mulai skala kecil sampai skala menengah (Raharjo dan Karnowo 2008: 180).

Dalam perancangan boiler ada beberapa faktor penting yang harus dipertimbangkan agar boiler yang direncanakan dapat bekerja dengan baik sesuai dengan yang dibutuhkan. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai berikut :

a.     Kapasitas yang digunakan

b.     Kondisi steam yang dibutuhkan

c.     Bahan bakar yang dibutuhkan

d.     Konstruksi yang sederhana dan perawatan mudah

e.     Tidak perlu air isian yang berkualitas tinggi

Kerugian ketel pipa api :

1.     Tekanan steam hasil rendah

2.     Kapasistas kecil

3.     Pemanasan relatif lama

Prinsip aliran gas dalam ketel steam pipa api ada 3 macam :

1.     Kostruksi dua laluan (pass)

Konstruksi ini merupakan konstruksi ketel scoth yang mula – mula lorong api yang besar dibutuhkan untuk mendapatkan bidang – bidang pemanas yang luas.

2.     Konstruksi tiga laluan (pass)

Konstruksi ini gas asap melewati jalan yang lebih panjang sebelum meninggalkan cerobong, sehingga dapat menaikkan effisiensi kalor, akan tetapi tenaga yang dibutuhkan draft fan akan membesar akibat kerugian tekanan gas asap.

3.     Konstruksi empat laluan (pass)

Konstruksi  ini  merupakan  unit  yang  mempunyai  efisiensi  yang  lebih tinggi, karena jalan asap menjadi lebih panjang, maka tenaga draft fan.

menjadi lebih besar pula. Agar gas asap lebih tinggi dibuat ukuran pipa – pipa untuk pass – pass berikut yang lebih kecil. Untuk lebih jelas boiler pipa api tipe vertikal dapat dilihat pada (gambar 1)

Gambar 1. Boiler Vertikal 
(Sumber : Science.howstuffworks.com)

2.3  Dasar Termodinamika

Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari perpindahan energi ketika suatu sistem mengalami proses termodinamika dari suatu keadaan ke keadaan lain. Berbagai aplikasi teknik yang menunjukkan pentingnya prinsip-prinsip termodinamika teknik seperti pada sistem energi alternatif, pembangkit listrik, sistem pendingin, pompa kalor merupakan sistem – sistem yang menghasilkan suatu konversi energi (Sutini Pujiastuti Lestari, 2011).

2.3.1 Hukum Termodinamika 1

Bunyi hukum Termodinamika I adalah “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat diubah bentuknya saja.” Berdasarkan uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q) yang diserap sistem tidak hilang. Oleh sistem, kalor ini akan diubah menjadi usaha luar (W) dan atau penambahan energi dalam (U) (Sutini Pujiastuti Lestari, 2011).

2.3.2 Hukum Termodinamika II

Hukum kedua termodinamika dinyatakan dengan entropi. Pada hukum pertama, energi dalam digunakan untuk mengenali perubahan yang diperbolehkan sedangkan pada hukum kedua entropi digunakan mengenali perubahan spontan di antara perubahan–perubahan yang diperbolehkan ini. Hukum kedua berbunyi entropi suatu sistem bertambah selama ada perubahan spontan.

Proses irreversibel (seperti pendinginan hingga mencapai temperatur yang sama dengan lingkungan dan pemuaian bebas dari gas) adalah proses spontan, sehingga proses itu disertai dengan kenaikkan entropi. Proses irreversibel menghasilkan entropi, sedangkan proses reversibel adalah perubahan yang sangat seimbang, dengan sistem dalam keseimbangan dengan lingkungannya pada setiap tahap. Proses reversibel tidak menghasilkan entropi, melainkan hanya memindahkan  entropi  dari  suatu  bagian  sistem  terisolasi  ke  bagian  lainnya (Atkins, 1999).

Sifat atau keadaan perilaku partikel dinyatakan dalam besaran entropi, entropi didefinisikan sebagai bentuk ketidakteraturan perilaku partikel dalam sistem. Entropi didasarkan pada perubahan setiap keadaan yang dialami partikel dari keadaan awal hingga keadaan akhirnya.

Semakin tinggi entropi suatu sistem, semakin tidak teratur pula sistem tersebut, sistem menjadi lebih rumit, kompleks, dan sulit diprediksi. Untuk mengetahui konsep keteraturan, mula-mula kita perlu membahas hukum kedua termodinamika   yang   dikenal   sebagai   ketidaksamaan   Clausius   dan   dapat diterapkan pada setiap siklus tanpa memperhatikan dari benda mana siklus itu mendapatkan   energi   melalui   perpindahan   kalor.   Ketidaksamaan   Clausius mendasari dua hal yang digunakan untuk menganalisis sistem tertutup dan volume atur  berdasarkan  hukum  kedua  termodinamika  yaitu  sifat  entropi  dan  neraca entropi. Ketidaksamaan Clausius menyatakan bahwa:

dimana dQ mewakili perpindahan kalor pada batas sistem selama terjadinya siklus, T adalah temperatur absolut pada daerah batas tersebut. Sedangkan dS dapat mewakili tingkat ketidaksamaan atau nilai entropi.

Pada saat hukum kedua termodinamika diterapkan, diagram entropi sangat membantu untuk menentukan lokasi  dan  menggambarkan  proses  pada  diagram  dimana koordinatnya  adalah nilai entropi. Diagram dengan salah satu sumbu koordinat berupa entropi yang sering digunakan  adalah diagram temperatur-entropi (T-s). 

Adapun penjelasan terdapat pada gambar berikut. Bentuk umum dari diagram entropi dapat dilihat pada  Gambar  2.  Pada  daerah  uap  panas  lanjut,  garis-garis  volume  spesifik konstan, kemiringannya lebih curam dari garis-garis tekanan konstan.

Garis-garis kualitas tetap ditunjukkan dalam daerah dua fase cair-uap. Pada beberapa gambar, garis kualitas uap tetap ditandai sebagai garis-garis persen uap yang merupakan rasio massa cairan dengan massa total.

Pada daerah uap panas lanjut dalam diagram T-s, garis-garis entalpi spesifik konstan hampir membentuk garis lurus pada saat tekanan berkurang. Keadaan ini ditunjukkan pada daerah terarsir pada Gambar 2. Untuk keadaan pada daerah ini, entropi ditentukan hanya dengan temperatur. Variasi tekanan antara beberapa keadaan tidak berpengaruh besar.

Gambar 2. Diagram Temperatur-Entropi 
(Sumber : Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, (2006)

2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap

Dalam pembangkit listrik tenaga uap, energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), dan gas.

Konversi energi tingkat yang pertama yang terjadi di pembangkit listrik tenaga uap adalah konversi energi primer menjadi energi panas (Kalor). Hal ini dilakukan dalam ruang bakar dari ketel uap. Energi panas ini kemudian dipindahkan ke dalam air yang ada dalam steam drum.

Uap dari steam drum dialirkan ke turbin uap.  Dalam turbin uap,  energi uap dikonversikan  menjadi energi mekanis penggerak generator, dan akhirnya energi mekanik dari turbin uap dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Secara skematis proses pembangkit listrik tenaga uap  dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Skematik Pembangkit Listrik Tenaga Uap 
(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Siklus ideal yang mendasari siklus kerja dari suatu pembangkit daya uap adalah siklus Rankine. Siklus Rankine berbeda dengan siklus-siklus udara ditinjau dari  fluida kerjanya  yang mengalami  perubahan  fase  selama siklus  pada saat evaporasi dan kondensasi. Perbedaan lainnya secara termodinamika, siklus uap dibandingkan dengan siklus gas adalah bahwa perpindahan kalor pada siklus uap dapat terjadi secara isotermal.

Proses  perpindahan  kalor  yang  sama  dengan  proses  perpindahan  kalor pada siklus Carnot dapat dicapai pada daerah uap basah dimana perubahan entalpi fluida kerja  akan  menghasilkan  penguapan  atau  kondensasi,  tetapi  tidak  pada perubahan temperatur. Temperaur hanya diatur oleh tekanan uap fluida.

Kerja pompa pada siklus Rankine untuk menaikkan tekanan fluida kerja dalam fase cair akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemampatan untuk campuran uap dalam tekanan yang sama pada siklus carnot. Siklus Rankine ideal dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Siklus Rankine Sederhana 
(Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles, 1994)

Siklus Rankine ideal terdiri dari 4 tahapan proses :

1-2           kompresi isentropik dengan pompa

2-3           penambahan panas dalam boiler secara isobar

3-4           ekspansi isentropik pada turbin

4-1           pelepasan panas pada kondenser secara isobar dan isotermal

 

Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik karena menurunnya volume spesifik air.

Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi (compressed liquid) pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan ke boiler pada tekanan yang tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut steam generator. 

Uap  superheated  pada  kondisi  3  kemudian  akan  memasuki  turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dpat dihasilkan listrik. Tekanan dan temperatur dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan

4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada tekanan konstan didalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini (Cengel dan Boles, 1994 : 553).

2.5      Komponen- komponen Boiler

a.   Furnace (Ruang bakar)

Furnace (ruang bakar) berfungsi sebagai tempat pembakaran bahan bakar. Bahan bakar dan udara dimasukkan ke dalam ruang bakar sehingga terjadi pembakaran. Dari pembakaran bahan bakar dihasilkan sejumlah panas dan nyala api/gas asap. Dinding ruang bakar umumnya dilapisi dengan pipa-pipa.

Semakin cepat laju peredaran air, pendinginan dinding pipa bertambah baik dan kapasitas steam yang dihasilkan bertambah besar.

Idealnya,  furnace  harus  memanaskan bahan  sebanyak  mungkin  sampai mencapai suhu yang seragam dengan bahan bakar. Kunci dari operasi furncace yang efisien yaitu terletak pada pembakaran bahan bakar yang sempurna dengan udara berlebih  yang minim. 

Furnace beroperasi  dengan  efesiensi  yang  relatif rendah (paling rendah 7%) dibandingkan dengan peralatan pembakaran lainnya seperti boiler (dengan efisiensi lebih dari 90%). Hal ini disebabkan oleh suhu operasi yang tinggi dalam furnace. Secara umum bentuk ruang bakar terdiri atas dua jenis yaitu :

1.     Berbentuk silinder

2.     Berbentuk kotak

Ruang bakar berbentuk silinder tegak, tube pada daerah radiasi dipasang secara vertikal. Tube yang satu dengan yang lainnya disambung dengan menggunakan U bend. Burner terletak pada bagian bawah, sehingga nyala api sejajar dengan tube dapur.

Bentuk lantai adalah lingkaran, sedang burner dipasang di lantai dengan arah pancaran api vertikal. Tube di ruang pembakaran dipasang vertikal. Furnace jenis ini bisa didesain tanpa atau dengan ruang konveksi.

Jenis tube yang dipasang di ruang konveksi bisa bare tube, finned tube, tetapi pada umumnya digunakan finned tube untuk mempercepat proses perpindahan panas karena konveksi.

Furnace terdiri dari beberapa bagian utama yaitu :

1.     Stack (Cerobong asap)

Cerobong asap berfungsi untuk membuang gas asap yang tidak dipakai lagi ke udara bebas, untuk mengurangi polusi disekitar instalasi boiler, sehingga proses pembakaran dapat berlangsung dengan baik. Dengan cerobong asap pengeluaran gas asap dapat lebih sempurna.

2.     Burner

Pada prinsipnya burner adalah transduser yang berguna untuk mengubah satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Dalam kasus ini burner berfungsi untuk mengubah energi kimia yang terdapat dalam bahan bakar, menjadi energi panas di dalam furnace melalui suatu reaksi kimia dalam nyala api.

Kunci utama burner adalah untuk membakar bahan bakar seefisien mungkin dan menghasilkan heat flux yang optimum. Pada premix burner konvensional, bahan bakar dicampurkan dengan udara primer yang mengalir ke dalam burner. Aliran udara primer harus dimaksimalkan tanpa menaikkan tinggi nyala api dalam burner.

b.   Steam Drum

Steam drum merupakan tempat penampungan air panas dan pembangkitan steam. Steam masih bersifat jenuh (saturated).

c.   Superheater

Komponen   ini   merupakan   tempat   pengeringan steam dan   siap   dikirim melalui main  steam  pipe dan  siap  untuk  menggerakkan  turbin   steam  atau menjalankan proses industri.

d.    Turbin Steam

Turbin steam berfungsi untuk mengkonversi energi panas yang dikandung oleh steam menjadi energi putar (energi mekanik). Poros turbin dikopel dengan poros generator sehingga ketika turbin berputar generator juga ikut berputar.

e.    Kondensor

Kondensor  berfungsi  untuk  mengkondensasikan  steam  dari  turbin  (steam yang telah digunakan untuk memutar turbin).

f.    Generator

Generator berfungsi untuk mengubah energi putar dari turbin menjadi energi listrik.

g.   Economizer

Komponen ini merupakan ruangan pemanas yang digunakan untuk memanaskan air dari air yang terkondensasi dari sistem sebelumnya  maupun air umpan baru.

h.   Safety valve

Komponen ini merupakan saluran buang steam jika terjadi keadaan dimana tekanan steam melebihi kemampuan boiler menahan tekanan steam.

i.   Blowdown valve

Komponen ini merupakan saluran yang berfungsi membuang endapan yang berada di dalam pipa steam.

2.6 Turbin Uap

Turbin uap adalah mesin tenaga yang berfungsi untuk mengubah energi thermal  (energi  panas  yang  terkandung  dalam  uap)  menjadi  energi  poros (putaran). Sebelum energi termal (enthalpy) diubah menjadi energi poros, energi tersebut diubah menjadi energi kinetik. Secara umum, sebuah turbin uap secara prinsip terdiri dari dua komponen berikut (Yunus, 2010):

1.     Nosel  (nozzle),  dimana  energi  panas  dari  uap  tekanan  tinggi  diubah menjadi  energi  kinetik,  sehingga  uap  keluar  nosel  dengan  kecepatan sangat tinggi.

2.     Sudu, yang merubah arah dari uap yang disemprotkan nosel, sehingga akan bekerja gaya sudu karena perubahan momentum  memutar turbin.

2.6.1 Prinsip Kerja Turbin Uap

Suatu  turbin  dapat  terdiri  dari  satu  dua  atau  banyak  silinder  yang merupakan mesin rotasi berfungsi untuk merubah energi panas menjadi energi mekanik. Tiap silinder memiliki sebuah rotor yang disangga oleh bantalan- bantalan.

Rotor-rotor tersebut disambung menjadi satu termasuk rotor generator. Ruang  diantara rotor dengan rumah turbin (casing) terdiri dari rangkaian sudu- sudu tetap dan sudu-sudu gerak yang dijajarkan berselang-seling.

Sudu-sudu tetap dipasang disekeliling bagian dalam rumah turbin, sedang rangkaian sudu gerak dipasang pada rotor. Bila kedalam turbin dialirkan uap, maka energi panas  yang dikandung uap akan diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros.

Mula-mula energi panas dalam uap diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik (kecepatan) dengan cara melewatkan uap melalui nosel-nosel. Uap berkecepatan tinggi kemudian diarahkan ke sudu-sudu sehingga menghasilkan putaran  poros  turbin  dimana  energi  mekanik  ini  selanjutnya  dapat  digunakan untuk menggerakkan generator, pompa dan sebagainya.

Perubahan energi panas menjadi energi kinetik terjadi didalam nosel (sudu diam) turbin, sedangkan perubahan energi kinetik menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran rotor turbin terjadi pada sudu jalan turbin.

Jadi didalam turbin, uap mengalami proses ekspansi yaitu penurunan tekanan dan mengalir secara kontinyu. Akibat pengurangan tekanan uap didalam rangkaian sudu-sudu, maka kecepatan uap meningkat sangat tinggi.

Kecepatan aliran uap tersebut akan bergantung pada selisih banyaknya panas uap sebelum dan sesudah ekspansi. Selisih banyaknya panas uap sebelum dan sesudah ekspansi didalam turbin dinamakan penurunan panas/heat drop (Pusdiklat PLN, 2006).

2.6.2   Klasifikasi Turbin Uap

Ditinjau dari cara kerja trasfer energi uap ke poros, turbin uap dapat dibedakan atas dua tipe:

a.     Turbin impuls

b.     Turbin reaksi

a. Turbin Impuls

Turbin impuls pertama kali dibuat oleh Branca pada tahun 1629. Dimana pancaran  uap  yang  keluar  dari  nosel  menghembus  daun-daun  rotor  (disebut blades) sehingga rotor berputar.

Sudu impuls juga disebut sudu aksi atau sudu tekanan tetap, adalah sudu dimana uap mengalami ekspansi hanya dalam sudu-sudu tetap. Sudu-sudu tetap berfungsi sebagai nosel (saluran pancar) sehingga uap yang melewati akan mengalami peningkatan energi kinetik.

Turbin impuls adalah turbin yang mempunyai roda jalan atau rotor dimana terdapat sudu-sudu impuls. Sudu-sudu impuls mudah dikenali bentuknya, yaitu simetris dengan sudut masuk ϕ dan sudut keluar γ yang sama (20^o), pada turbin biasanya ditempatkan pada bagian masuk dimana uap bertekanan tinggi dengan volume spesifik rendah. Bentuk turbin impuls pendek dengan penampang yang konstan.

Ciri  yang lain adalah secara termodinamika penurunan energi terbanyak pada nosel, dimana pada nosel terjadi proses ekspansi atau penurunan tekanan. Sudu-sudu turbin uap terdiri dari sudu tetap dan sudu gerak. Sudu tetap berfungsi sebagai nosel dengan energi kinetik yang naik, sedangkan pada sudu bergerak tekanannya konstan.

Proses  perubahan  atau  konversi  energi  pada  turbin  mulai  terjadi  pada nosel, yaitu ekspansi fluida gas pada nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida dan tekanan mengalami penurunan. Berbarengan dengan penurunan energi dan tekanan, kecepatan fluida gas naik karena proses ekspansi.

Kemudian, fluida gas dengan energi kinetik tinggi menumbuk sudu turbin dan memberikan sebagian energinya  ke  sudu,  sehingga  sudu  pun  bergerak.  Perubahan  energi  dengan tumbukan fluida di sudu adalah azas impuls.

Perubahan energi dengan azas reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti nosel. Hal ini berarti, pada sudu turbin reaksi terjadi proses ekspansi, yaitu penurunan  tekanan  fluida  gas  dengan  dengan  dibarengi  kenaikan  kecepatan.

Prinsip reaksi adalah gerakan melawan aksi, jadi dapat dipahami dengan kenaikan kecepatan fluida gas  pada sudu turbin  reaksi, sudu turbin pun  akan  bergerak sebesar nilai kecepatan tersebut dengan arah yang berlawanan. Proses ekspansi dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5. Proses Ekspansi Pada Nozle 
(Masagus S Rizal, 2013)

b. Turbin reaksi

Turbin ini dirancang pertama oleh Hero, 120 tahun sebelum Masehi. Reaksidari pancaran uap yang keluar dari ujung pipa yang disebut Nozel.

Dalam suatu turbin yang terdiri dari 100% sudu-sudu reaksi, maka sudu- sudu gerak juga berfungsi sebagai nosel-nosel sehingga uap yang melewatinya akan mengalami peningkatan kecepatan dan penurunan tekanan. Peningkatan kecepatan ini akan menimbulkan gaya reaksi yang arahnya berlawanan dengan arah kecepatan uap.

Gambar 6. Prinsip Dasar Sudu Reaksi dan Sudu Impuls 
(Sumber: Pusat Pendidikan dan Pelatihan PT. PLN (Persero) (2006))

2.7 Proses Pembakaran

Pembakaran merupakan oksidasi cepat bahan bakar disertai dengan produksi panas, atau panas dan cahaya. Pembakaran sempurna bahan bakar terjadi hanya jika ada pasokan oksigen yang cukup. Dalam setiap bahan bakar, unsur yang mudah terbakar adalah karbon, hidrogen dan sulfur.

Dalam  proses  suatu  pembakaran  jika  tidak  ada  cukup  oksigen,  maka karbon tidak akan terbakar seluruhnya, contohnya sebagai berikut :

Tujuan dari pembakaran yang baik adalah melepaskan seluruh panas yang terdapat dalam bahan  bakar. Hal ini dilakukan  dengan  pengontrolan “tiga T” yaitu:

a.   T- Temperatur

Temperatur  yang digunakan  untuk  pembakaran  yang baik  harus  cukup  tinggi sehingga dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia.

b.    T- Turbulensi

Turbulensi yang tinggi menyebabkan terjadinya pencampuran yang baik antara bahan bakar dan pengoksidasi.

c.   T- Time

Waktu  harus  cukup  agar  input  panas  dapat  terserap  oleh  reaktan  sehingga berlangsung proses termokimia.

Dalam proses pembakaran tidak terlepas dari penyalaan yaitu sebuah keadaan transisi dari tidak reaktif ke reaktif karena rangsangan atau dorongan eksternal yang memicu reaksi termokimia diikuti dengan transisi yang cepat sehingga pembakaran dapat berlangsung. Penyalaan terjadi bila panas yang dihasilkan oleh pembakaran lebih besar dari panas yang hilang ke lingkungan.

Dalam proses penyalaan ini dapat dipicu oleh energi thermal yang merupakan transfer energi thermal ke reaktan oleh konduksi, konveksi, radiasi atau kombinasi dari ketiga macam proses tersebut, Kimia yaitu dengan memasukan bahan kimia reaktif.

Temperatur adiabatik merupakan temperatur teoritis maksimum yang dicapai oleh produk-produk pembakaran bahan bakar dengan oksigen atau udara. Temperatur adiabatik tejadi pada udara lebih sama dengan nol (kondisi stokiometrik). Namun temperatur adiabatik juga bisa tidak tercapai hal ini disebabkan oleh:

a. kehilangan panas

yaitu proses pembakaran tidak terjadi seketika. Pembakaran yang cepat kana mereduksi kehilangan panas. Akan tetapi jika pembakaran berjalan lambat maka gas terdinginkan dan akan terjadi pembakaran yang tidak sempurna.

b.   terjadinya diasosiasi CO₂ dan H₂O

pada temperatur diatas 300 0F, CO₂ dan H₂O terdisosiasi dengan menyerap panas. Jika gas mendingin produk disosiasi berekombinasi dan melepas energi disosiasinya. Jadi panasnya tidak hilang akan tetapi temperatur nyala katual lebih rendah. (hidayat: 2004).

Rumus empiris untuk pembakaran temperatur adiabatik :

Dimana :             

Tad : Temperatur Adiabatik (⁰F)

T0 : Temperatur Udara Pembakaran (⁰F)

hf : panas pembakaran (Btu/lb)

2.7.1 Kebutuhan Udara Pembakaran

Dalam suatu pembakaran perbandingan campuran bahan bakar dan udara memegang peranan yang penting dalam menentukan hasil proses pembakaran. Rasio campuran bahan bakar dan udara dapat dinyatakan dalam beberapa parameter yang lazim antara lain AFR (Air Fuel Ratio), FAR (Fuel Air Ratio), dan Rasio Ekivalen (φ).

2.7.2  Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio/AFR)

Rasio ini merupakan parameter yang paling sering digunakan dalam mendefinisikan campuran dan merupakan perbandingan antara massa dari udara dengan bahan bakar pada suatu titik tinjau. Secara simbolis, AFR dihitung sebagai adalah jumlah mol bahan bakar.

2.7.3   Rasio Bahan Bakar-Udara (Fuel Air Ratio/ FAR)

Rasio bahan bakar-udara merupakan kebalikan dari AFR yang dirumuskan sebagai berikut :

FAR dan AFR  dapat juga dinyatakan dalam perbandingan volume. Untuk bahan bakar gas, perbandingan volume lebih sering dipergunakan karena sebanding dengan perbandingan jumlah mol.

2.7.4 Rasio Ekivalen (Equivalent Ratio,)

Rasio ini termasuk juga rasio yang umum digunakan. Rasio ekivalen didefinisikan sebagai perbandingan antara rasio udara-bahan bakar (AFR) stokiometri dengan rasio udara-bahan bakar (AFR) aktual atau juga sebahgai perbandingan anatara rasio bahan bakar-udara (FAR) aktual dengan rasio bahan bakar-udara (FAR) stoikiometri (Mahandri,2010:10).

2.8 Bahan Bakar

Bahan bakar yang digunakan pada uji kinerja prototipe pembangkit uap yang  dirancang  adalah  solar  dan  LPG.  Berikut  adalah  pembahasan  mengenai kedua jenis bahan bakar tersebut.

2.8.1 Solar

Bahan bakar solar adalah bahan bakar minyak nabati hasil destilasi dari minyak bumi mentah. Bahan bakar ini berwarna kuning coklat yang jernih. Penggunaan solar pada umumnya adalah untuk bahan bakar pada semua jenis mesin diesel dengan putaran tinggi (diatas 1000 rpm), yang juga dapat digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran langsung dalam dapur-dapur kecil yang terutama diinginkan pembakaran yang bersih. Minyak solar ini biasa juga disebut Gas Oil, Automotive Diesel Oil, High Speed Diesel (Pertamina, 2005).   Bahan bakar solar mempunyai sifat-sifat utama, yaitu:

a.     Warna sedikit kekuningan dan berbau

b.     Encer dan tidak mudah menguap pada suhu normal

c.     Mempunyai titik nyala yang tinggi (40 °C sampai 100°C)

d.     Terbakar secara spontan pada suhu 350°C

e.     Mempunyai berat jenis sekitar 0,82 – 0,86

f.      Mampu menimbulkan panas yang besar (10.500 kcal/kg)

g.     Mempunyai kandungan sulfur yang lebih besar daripada bensin. Berikut spesifikasi solar dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Spesifikasi Solar

2.8.2 LPG

LPG (liquified petroleum gas) adalah campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam atau kilang crude oil. Dengan menambah tekanan dan menurunkan suhunya, gas berubah menjadi cair.

Komponennya didominasi propana (C3H8) dan butana (C4H10). Elpiji juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12). Sebagai bahan bakar, gas LPG mudah terbakar apabila terjadi persenyawaan di udara (PT. Aptogas Indonesia, 2015)

Rasio  antara  volume  gas  bila  menguap  dengan  gas  dalam  keadaan  cair bervariasi tergantung komposisi, tekanan dan temperatur, tetapi biasaya sekitar 250:1. Adapun spesifikasi LPG dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Spesifikasi LPG

2.9 Perpindahan Kalor

Perpindahan Kalor adalah bentuk kalor yang dapat berpindah dari benda yang  bersuhu  tinggi  ke  benda  yang  bersuhu   rendah.  Sedangkan  kalor  ini merupakan  suatu  bentuk  energi  atau  dapat  juga  didefinisikan  sebagai  jumlah panas yang ada dalam suatu benda.

2.9.1 Macam-macam Perpindahan Kalor

Perpindahan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui 3 cara, yaitu Konduksi, Konveksi dan Radiasi.

1.Konduksi ( Hantaran ).

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.

Perpindahan Panas Konduksi pada dinding dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7. Perpindahan Panas Konduksi pada Dinding 
(Sumber : J.P. Holman, hal :33)

Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan berikut. Persamaan Dasar Konduksi :

Keterangan :

q = Laju Perpindahan Panas (kj /det,W)

k = Konduktivitas Termal (W/m.⁰C)

A = Luas Penampang (m²)

dT = Perbedaan Temperatur (⁰C, ⁰F)

T = Perubahan Suhu (⁰C, ⁰F)

dX = Perbedaan Jarak (m/det)

dT/dx = gradient temperatur ke arah perpindahan kalor. Konstanta positif “k) disebut konduktifitas atau kehantaran termal benda itu, sedangkan tanda minus disisipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala temperatur. ( J.P. Holman, hal :2)

hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara laju aliran panas  yang melintas permukaan isothermal dan  gradien yang terdapat pada permukaan tersebut berlaku pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap aktu yang dikenal dengan hukum fourier. Dalam penerapan hukum Fourier (persamaan 6) pada suatu dinding datar, jika persamaan tersebut diintegrasikan maka akan didapatkan, (J.P. Holman, hal : 26)

Tetapan kesebandingan (k) adalah sifat fisik bahan atau material yang disebut konduktivitas termal. Persamaan (6) merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal.

Berdasarkan rumusan itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan konduktivitas termal berbagai bahan. Pada umumnya konduktivitas termal itu sangat tergantung pada suhu. Konduktivitas termal pada berbagai bahan dapat dilihat pada tabel 3 berikut.

Daftar Tabel 3. Konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada ⁰C

2.Konveksi (aliran)

Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran/ pencampuran dari bagian panas ke bagian yang dingin. 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 suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free/ natural convection). Bila gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa/ 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). Berikut gambar perpindahan panas konveksi dapat dilihat pada gambar 8.

Gambar 8. Perpindahan Panas Konveksi 
Sumber : (J.P. Holman, hal: 252)

Proses pemanasan atau pendinginan fluida yang mengalir di dalam saluran tertutup seperti pada gambar merupakan contoh proses perpindahan panas. Laju perpindahan panas pada beda suhu tertentu dapat dihitung dengan persamaan, (J.P. Holman, 1994 hal: 11)

Keterangan :

Q = Laju Perpindahan Panas (kJ/det atau W)

h = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m².⁰C)

A = Luas Bidang Permukaan Perpindahan Panas (ft².m²)

Tw= Temperatur Dinding (⁰C. K)

Tz= Temperatur Sekeliling (⁰C. K)

Perpindahan panas pada sistem radial silinder dapat dilihat pada gambar 9 berikut.

Gambar 9. Perpindahan Panas pada Sistem Radial Silinder 
(Sumber : J.P. Holman , 1991 hal :30)

Perbedaan suhu di silinder adalah T_i  – T_o. Untuk silinder dengan panjang yang sangat besar dibandingkan dengan diameter, dapat diasumsikan bahwa kalor mengalir dalam arah radial. Luas area bagi aliran kalor

Jika silinder mempunyai dinding berlapis, dapat digunakan konsep tahanan termal. Pada gambar , dimisalkan dinding silinder dilapisi oleh dua lapisan isolasi untuk mencegah kalor keluar atau masuk seperti pada gambar 10

Gambar 10. Perpindahan Kalor pada Dinding Silinder Berlapis 
(Sumber : J.P. Holman , 1991 hal :30)

Persamaan Fourier untuk kasus ini dapat ditulis :

Baca juga :

Go to Link

Mau donasi lewat mana?

Bank Transfer Donate with Paypal

BANK BNI - An.mechanical engineering / Rek - 2345xxx
Gopay-

Traktir creator minum kopi dengan cara memberi sedikit donasi. klik icon panah di atas