ANALISA PENDISTRIBUSIAN PANAS PEMBAKARAN

PADA KETEL UAP PIPA AIR BERBAHAN BAKAR AMPAS TEBU

KAPASITAS 6O TON / JAM TEKANAN 24 KG / CM2

DI PABRIK GULA KUALA MADU PTPN II

LAPORAN TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam

Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3

Program Studi Teknik Konversi Energi

Oleh :

ELFRANDO PANJAITAN

NIM : 1505051039

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI MEDAN

MEDAN

2018

vi

INTISARI

Ketel Uap adalah suatu alat yang berupa bejana tertutup dimana panas

pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk uap air. Uap pada tekanan tertentu

kemudian mengalirkan energi ke suatu proses. Secara proses konversi energi ,

ketel uap mempunyai fungsi untuk mengkonversikan energi kimia yang tersimpan

didalam bahan bakar menjadi energi panas yang ditransfer ke fluida kerja. Salah

satu ketel uap yang digunakan di Pabrik Gula Kuala Madu PT Perkebunan

Nusantara II adalah ketel uap pipa air yang berbahan bakar ampas tebu dengan

nilai bakar terendah sebesar 2005,5 kkal/kg. Ketel uap tersebut beroperasi pada

tekanan 24 kg/cm2 dengan produksi uap 60 ton/jam dan suhu 320oC. Jumlah

panas yang dihasilkan bahan bakar adalah 49012250 kkal/jam. Jumlah kebutuhan

udara bahan bakar aktual 5,13 kg udara/kg bahan bakar. Jumlah gas asap kering

dari proses pembakaran adalah 5,35942 kg asap/kg bahan bakar. Jumlah panas

untuk membentuk uap saturasi adalah 25367921,68 kkal/jam dan untuk

membentuk uap superheat adalah 2895318,324 kkal / jam. Jumlah kerugian panas

cerobong adalah 6775378,764 kkal/jam. Kerugian panas karena terbentuknya gas

pembakaran dari pembakaran tidak sempurna dan kerugian panas karena

terdapatnya karbon dalam abu dan terak sangat kecil dan dianggap tidak ada.

Jumlah kerugian panas pada abu dan terak adalah 17280 kkal/jam. Jumlah

kerugian panas karena perpindahan panas pada instalasi ketel uap dan penyebab

lain adalah 8828403,232 kkal/jam. Efisiensi ketel uap adalah 68,13 %

Kata kunci : Ketel uap, panas, kerugian

vii

ABSTRACT

A boiler is an eclosed vessel that provides a means for combustion heat to

be transfered to water until it becomes steam. The steam under pressure is the

usable for transfered energy to a process. In the energy conversion process, the

boiler has a function to convert the the stored chemical energy in the fuel into

heat energy that it transfered to the working fluid. One of the boilers that used in

Pabrik Gula Kuala Madu PT Perkebunan Nusantara II is an water tube boiler

which fueled wih Baggase with Low Heating Value in the amount of 2005,5

kcal/kg. The Boiler is operating at pressure of 24 kg/cm2 with steam production

60 tons of steam per hour and temperatur is 320 oC. The amount of produced heat

by fuel combustion is 49012250 kcal/hour. The amount of actual fuel

combustion air is 5,13 kg of air/kg of fuel. The amount of dry exhaust gas from

combustion is 5,35942 kg of exhaust gas/kg of fuel. The amount of heat to

produce saturated steam is 25367921,68 kcal/hour and to produce superheated

steam is 2895318,324 kcal/hour. The amount of chimney losses is 6775378,764

kcal/hour. Heat losses because of shaped combustion gas from uncomplete

combustion and heat losses because of carbon on the dust and slag is very low

and reputed unshapped. The amount of heat losses on the dust and slag is 17280

kcal/hour. The amount of heat losses from heat transfer on the boiler instalation

and others is 8828403,232 kcal/hour.Boiler efficiency is 68,13%.

Keywords : Boilers, Heat, Losses

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang

telah melimpahkan kasih dan karunia-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan

penulisan laporan ini dengan baik sesuai dengan waktu yang ditentukan.

Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan

pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik

Mesin Politeknik Negeri Medan. Adapun judul tugas akhir ini adalah “ Analisa

Pendistribusian Panas Pembakaran Ketel Uap Pipa Air Berbahan Bakar

Ampas Tebu Kapasitas 60 Ton / Jam Tekanan 24 kg / cm 2 di Pabrik Gula

Kuala Madu PTPN II “. Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis dapat banyak

bantuan moral maupun material serta bimbingan sehingga penulis dapat

menyelesaikan tugas akhir ini, maka dengan segala ketulusan dan kerendahan hati

penulis mengucapkan terimakasih kepada :

1. M. Syahruddin,S.T.,M.T. selaku Direktur Politeknik Negeri Medan;

2. Idham Kamil,S.T.,M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik

Negeri Medan;

3. Ir. Abdul Razak,M.T. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin Politeknik

Negeri Medan;

4. Aulia Salman,S.T.,M.T. selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi

Energi Politeknik Negeri Medan;

5. Faisal Fahmi Hasan, S.T.,M.T. selaku dosen pembimbing yang telah

meluangkan banyak waktu serta menyumbangkan ilmu dan nasehat

kepada penulis sepanjang pengerjaan tugas akhir ini hingga selesai;

6. Ir. Burhanuddin Tarigan,M.T. selaku wali kelas EN-6B;

7. Seluruf Dosen, Staff, Karyawan di Jurusan Teknik Mesin Program Studi

Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan;

8. Secara khusus saya ucapkan kepada orang tua tercinta ayahanda Richard

Panjaitan dan Ibunda Seti Sianipar yang telah berjuang untuk

membimbing dan memberi dorongan moril serta doa – doanya selama ini

kepada penulis;

ix

9. Kepada abang penulis abang, kakak, dan adik penulis yang selalu

memberi support berupa doa, material dan moril kepada penulis;

10. Bapak Rahmat Kurniawan, Mual Tarihoran, seluruh Staff dan Karyawan

Pabrik Gula Kuala Madu PTPN II yang telah membantu banyak dalam

pengambilan data dan selama kegiatan PKL berlangsung;

11. Kepada teman teman PKL penulis : Danu, Alfi, Gabriela dan Lusy untuk

suka dan dukanya selama PKL dan secara khusus Bapak M . Situmorang

dan Ibu J br Sitepu yang telah memberikan banyak bantuan material

maupun moril selama kegiatan berlangsung;

12. Christian Manalu, Hans Siahaan, Armindo Sitorus, Togi Sitorus, Josfri

Munthe, Supardiman Silaban, Verindo Manik, Suryadi Sihotang, Dani

Marbun, Paturahman Siregar, Yusnila Indriyani, Siti Fatimah, dan rekan –

rekan mahasiswa kelas EN-6B yang telah memberikan semangat,

dukungan selama perkuliahan;

13. Teman - teman pengurus Himpunan Mahasiswa Program Studi Teknik

Konversi Energi 2017 – 2018 , teman teman dan adik adik di Teknik

Konversi energi yang telah memberikan dukungan semangat dan doa.

Penulis menyadari tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena

itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dalam

penyempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga tugas akhir

ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Terimakasih.

Medan, Juli 2018

Penulis,

Elfrando Panjaitan

NIM. 1505051039

x

DAFTAR ISI

SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ...................................................................... ii

LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................. iii

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ............................................. v

INTISARI .......................................................................................................... vi

ABSTRACT ....................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ....................................................................................... viii

DAFTAR ISI ...................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xiii

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xv

DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................. 1

A. Latar Belakang ........................................................................................ 1

B. Batasan Masalah ..................................................................................... 2

C. Tujuan Penulisan ..................................................................................... 2

D. Manfaat Penulisan ................................................................................... 3

E. Metode Pengumpulan Data ..................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 4

A. Pengertian Ketel Uap .............................................................................. 4

B. Klasifikasi Ketel Uap .............................................................................. 6

C. Komponen Ketel Uap .............................................................................. 15

1. Ruang Bakar ................................................................................ 15

2. Blower Penghembus Udara ( Forced Draft Fan ) ...................... 15

3. Drum Atas ( Steam Drum ) ......................................................... 16

4. Pipa Uap Pemanas Lanjut ( Superheater Pipe ) .......................... 16

5. Drum Bawah ( Mud Drum ) ........................................................ 17

6. Pipa Pipa Air ( Header ) ............................................................. 18

7. Pembuangan Abu ( Ash Hopper ) ............................................... 18

xi

8. Cerobong Asap ( Chimney ) ........................................................ 19

9. Kontrol Tekanan Permukaan Ruang Bakar ............................... 19

10. Blower Hisapan ( ID Fan ) ......................................................... 20

11. Penyaring Abu ( Dust Collector ) ............................................... 21

12. Alat Pengamanan dan Instrument ............................................... 21

13. Deaerator ..................................................................................... 26

14. Pipa Pipa Waterwall .................................................................... 27

15. Pemanas Lanjut ( Superheater ) .................................................. 28

D. Bahan Bakar ( Fuel ) ............................................................................... 28

E. Proses Pembakaran ................................................................................. 31

F. Panas Pembakaran ................................................................................... 34

G. Energi Berguna ....................................................................................... 34

1. Panas yang diserap untuk membentuk uap saturasi ( Qsat ) ......... 34

2. Panas yang diserap untuk membentuk uap superheat ( Qsup ) ..... 35

3. Panas yang diserap udara untuk proses pembakaran ( Qah ) ........ 35

H. Kerugian Panas ....................................................................................... 35

1. Kerugian Cerobong ( Qg ) ........................................................... 36

2. Kerugian karena terbentuknya gas pembakaran pada

pembakaran yang tidak sempurna ( Qpts ) ................................... 36

3. Kerugian panas karena terdapatnya unsur karbon dalam

abu dan terak ( Qcat ) .................................................................. 37

4. Kerugian panas karena abu dan terak masih mengandung

Panas ( Qat ) ................................................................................. 38

5. Kerugian karena perpindahan panas dari peralatan ketel ( Qr ) . 38

BAB III SPESIFIKASI KETEL UAP ............................................................. 40

A. Spesifikasi Ketel Uap .............................................................................. 40

B. Data Penggunaan Ketel Uap ................................................................... 40

C. Metode Penelitian ................................................................................... 41

BAB IV ANALISA DATA ................................................................................ 44

A. Perhitungan LHV Bahan Bakar .............................................................. 44

xii

B. Perhitungan Jumlah Kebutuhan Udara Bahan Bakar .............................. 44

C. Perhitungan Jumlah Produksi Gas Asap Pembakaran ............................ 46

D. Panas Pembakaran Bahan Bakar ............................................................. 48

E. Panas yang Diserap untuk Membentuk Uap Saturasi ............................. 48

F. Panas yang Diserap untuk Membentuk Uap Superheat .......................... 49

G. Panas yang Diserap Udara Melalui air Heater ........................................ 51

H. Kerugian Panas Pembakaran ................................................................... 51

1. Kerugian Cerobong ( Qg ) .......................................................... 51

2. Kerugian karena terbentuknya gas pembakaran pada

pembakaran yang tidak sempurna ( Qpts ) ................................... 52

3. Kerugian panas karena terdapatnya unsur karbon dalam

abu dan terak ( Qcat ) .................................................................. 52

4. Kerugian panas karena abu dan terak masih mengandung

Panas ( Qat ) ................................................................................. 52

5. Kerugian karena perpindahan panas dari peralatan ketel ( Qr ) . 53

I. Neraca Kalor ........................................................................................... 53

BAB V PENUTUP

A. Kesimpulan ............................................................................................. 55

B. Saran ........................................................................................................ 56

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 57

LAMPIRAN

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Ketel uap pipa api ................................................................................. 6

Gambar 2.2 Ketel uap pipa air ................................................................................. 8

Gambar 2.3 Ketel uap stasioner ............................................................................... 9

Gambar 2.4 Ketel uap mobil .................................................................................... 10

Gambar 2.5 Ketel uap pembakaran dalam ............................................................... 11

Gambar 2.6 Ketel uap pembakaran luar ................................................................... 11

Gambar 2.7 Ketel dengan lorong tunggal ................................................................ 12

Gambar 2.8 Ketel dengan lorong ganda ................................................................... 12

Gambar 2.9 Ketel tegak ( vertical steam boiler ) ..................................................... 13

Gambar 2.10 Ketel mendatar ( horizontal steam boiler ) .......................................... 13

Gambar 2.11 Blower penghembus udara ................................................................... 15

Gambar 2.12 Drum uap atas....................................................................................... 16

Gambat 2.13 Pipa superheater.................................................................................... 17

Gambar 2.14 Drum bawah ......................................................................................... 17

Gambar 2.15 Pembuang abu ...................................................................................... 18

Gambar 2.16 Cerobong asap ...................................................................................... 19

Gambar 2.17 Kontrol tekanan permukaan ruang bakar ............................................. 20

xiv

Gambar 2.18 Blower hisapan ( ID Fan ).................................................................... 20

Gambar 2.19 Penyaring abu ....................................................................................... 21

Gambar 2.20 Katup pengaman ................................................................................... 22

Gambar 2.21 Gelas penduga ...................................................................................... 22

Gambar 2.22 Keran Blowdown .................................................................................. 23

Gambar 2.23 Manometer ........................................................................................... 24

Gambar 2.24 Kerap uap induk ................................................................................... 24

Gambar 2.25 Kontrol air umpan ................................................................................ 25

Gambar 2.26 Penghembus debu ................................................................................. 25

Gambar 2.27 Panel utama .......................................................................................... 26

Gambar 2.28 Deaerator ............................................................................................. 27

Gambar 2.29 Pipa pipa waterwall .............................................................................. 28

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komposisi bahan bakar ampas tebu ( Bagasse ) ........................................ 31

Tabel 4.1 Komposisi unsur dalam ampas tebu .......................................................... 44

Tabel 4.2 Neraca pendistribusian panas pembakaran ................................................ 54

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Tabel Uap

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dalam proses – proses di Industri, kebutuhan akan energi untuk menjalankan

peralatan dan mesin serta untuk beberapa aktivitas pendukung lainnya merupakan hal

mutlak dibutuhkan. Ada beberapa jenis energi yang digunakan, seperti energi listrik,

energi mekanik, energi panas, dan sebagainya.

Dalam dunia industri besar maupun kecil akan berlomba lomba mencari tahu

tentang teknologi industri guna menekan biayan produksi. Dalam kaitannya industri

besar seperti industri pabrik gula yang selalu mencari alternatif untuk penghematan

biaya industri agar bisa bersaing dengan industri – industri pengolahan lainnya.

Salah satu cara untuk menghemat biaya produksi industri perusahaan pabrik

gula yaitu dengan mengoptimalkan sarana prasarana pabrik, contohnya Boiler atau

Ketel Uap yang mempunyai peranan penting dalam kelangsungan berjalannya pabrik

pengolahan gula.

Fungsi ketel uap adalah menghasilkan uap yang secara sistematis membantu

proses kinerja suatu pabrik dan menghasilkan daya pembangkit listrik. Daya listrik

berguna untuk kebutuhan proses produksi pengolahannya serta kebutuhan listrik

untuk perumahan karyawan di sekitar pabrik. Ketel Uap membutuhkan bahan bakar

untuk menghasilkan energi panas di dalam boiler.

Banyak perusahaan industri pengolahan mencari bahan bakar yang murah

agar dapat menekan biaya produksi. Hal ini sangatlah penting dalam industri pabrik

pengolahan gula karena energi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar

2

harus dapat memenuhi panas yang dibutuhkan oleh setiap komponen di dalam ketel

uap. Maka dari itu penulis akan menganalisa pendistribusian panas pembakaran

bahan bakar ampas tebu pada ketel uap tersebut di Pabrik Gula Kuala Madu PT

Perkebunan Nusantara ( PTPN ) II.

Berdasarkan uraian diatas, penulis merasa tertarik untuk membahas dan

mengetahui lebih banyak tentang hal hal yang berkaitan dengan “ ANALISA

PENDISTRIBUSIAN PANAS PEMBAKARAN PADA KETEL UAP PIPA AIR

BERBAHAN BAKAR AMPAS TEBU KAPASITAS 60 TON / JAM TEKANAN 24

KG / CM2 DI PABRIK GULA KUALA MADU PTPN II “

B. Batasan Masalah

Masalah yang akan dibahas dan dirumuskan dengan jelas dalam laporan tugas

akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Apa alasan pemilihan ampas tebu sebagai bahan bakar ketel uap pabrik

gula ?

2. Bagaimana spesifikasi boiler dan komponen untuk membentuk uap pada

ketel uap pabrik gula ?

3. Berapa besar energi yang disuplai dan energi yang digunakan pada ketel

uap pabrik gula ?

C. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Untuk mengetahui alasan pemilihan ampas tebu sebagai bahan bakar ketel

uap pabrik gula;

2. Untuk mengetahui spesifikasi ketel dan komponen yang digunakan untuk

membentuk uap pada ketel uap;

3

3. Menghitung besar energi yang disuplai dan energi yang digunakan pada

ketel uap pabrik gula.

D. Manfaat Penulisan

Adapun manfaat penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Bagi penulis sendiri untuk manambah wawasan dan pengetahuan tentang

ketel uap pipa air;

2. Sebagai bahan perbandingan bagi mahasiswa lain yang akan membahas

hal yang sama;

3. Membandingkan antara teori yang diperoleh dari bangku perkuliahan

dengan yang ada di lapangan.

E. Metode Pengumpulan Data

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini, penulis menggunakan teknik

pengumpulan data sebagai berikut :

1. Peninjauan langsung ketel uap pipa air merek Yoshimine Type H –

1600S;

2. Melakukan tanya jawab dengan mandor dan operator – operator di Pabrik

Gula Kuala Madu PTPN II;

3. Studi literatur di perpustakaan, akses internet, dan sumber sumber lain

4. Melakukan diskusi dan tanya jawab dengan dosen pembimbing dan dosen

– dosen pengajar Teknik Konversi Energi.