PERANCANGAN KETEL UAP LANCASHIRE

DENGAN KAPASITAS 10 TON PER JAM

SKRIPSI

Diajukan Kepada Fakultas Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang

Untuk memenuhi syarat memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin

Disusun Oleh :

MINGGO HAWINU

201310120312218

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2016

LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI

PERANCANGAN KETEL UAP LANCASHIRE DENGAN KAPASITAS 10 TON PER JAM

Diajukan kepada:

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Mesin Program

Strata Satu (S-1) Jurusan Teknik Mesin

Oleh : Minggo Hawinu

201310120312218

Diterima dan Disetujui Pada tanggal 23 Januari 2016

iii

iv

v

vi

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kita panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpah

dan rahmat-Nyalah sehingga saya dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini

dalam bentuk maupun isinya yang sederhana.

Dalam penulisan skripsi ini penulis memberikan judul “ Perancangan

Ketel Uap Lancashire Dengan Kapasitas 10 Ton/Jam ”. skripsi ini dibuat dengan

tujuan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar keserjanaan di

Universitas Muhammadiyah Malang. Tugas akhir ini tidak dapat tersusun tanpa

adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak baik dalam segi material maupun

spiritual dan karenanya penyusun mengucapkan terima kasih :

1. Tuhan Yang Maha Esa yang memberikan rahmat dan karuniaNya

sehingga penulis bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Ayah dan Ibu tercinta, adik dirumah, beserta seluruh keluarga dan orang-

orang yang penulis sayangi yang selalu memberikan motivasi bagi penulis

untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang selalu memberikan doa dan

restu bagi penulis juga dukungan baik moril maupun material.

3. Bpk. Muhadjir Effendi,.M.AP. selaku Rektor Universitas Muhammadiyah

Malang.

4. Bpk. Ir. Sudarman,.M.T selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Malang.

5. Bpk. Ir Daryono,.M.T selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas

Muhammadiyah Malang.

ix

6. Bpk. Ir. Herry Suprianto,.M.T selaku dosen pembimbing I yang telah

banyak memberikan bimbingan dan pengarahan dengan sabar dan

bijaksana serta memberikan dorongan dari awal hingga akhir penulisan

Tugas Akhir ini.

7. Ibu Dra. Rr Heni Hendaryanti,.M.T selaku dosen pembimbing II yang

juga telah banyak membantu dengan memberikan semangat dan motivasi,

serta bimbingan dan pengarahan dengan sabar dan bijaksana serta

memberikan dorongan dari awal hingga akhir penulisan Tugas Akhir ini.

8. Bapak dan Ibu Dosen khususnya jurusan Teknik Mesin yang telah

memberikan bekal ilmu pengetahuan dan juga wawasan yang luas pada

saat perkuliahan.

9. Para Staf dan juga teknisi jurusan Teknik Mesin yang sudah banyak

membantu dan dengan sabar memberikan petunjuk dan arahan didalam

penyelesaian rangkaian kegiatan pada Tugas Akhir ini.

10. Rekan-rekan mahasiswa transfer POLIBAN angkatan 2013 yang selama

ini telah setia menemani, memberikan suffort, semangat dan dukungan

yang saya rasa kan sungguh luar biasa di dalam menyelesaikan seluruh

kegiatan selaman Tugas Akhir ini .

11. Dan juga tidak lupa kepada teman-teman KKN 23 serta teman-teman

mahasiswa regular Universitas Muhammadiya Malang, khusunya jurusan

Teknik Mesin yang telah dengan sangat terbuka, baik dan ramah dalam

menerima kehadiran kami selama ini. Baik pada saat mengikuti kegiatan

perkuliahan dikelas, maupun dalam pergaulan sehari-hari.

x

Harapan penulis semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat baik diri

pribadi ataupn orang lain dan semoga kebaikan rekan-rekan semuanya

mendapatkan pahala yang berlipat ganda. Amin.

xi

DAFTAR ISI

Halaman

LEMBAR JUDUL ...................................................................................................i

POSTER ................................................................................................................. ii

LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. iii

BERITA ACARA BIMBINGAN TUGAS AKHIR (TA) .................................... iv

LEMBAR SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT .....................................vi

ABSTRAK ........................................................................................................... vii

ABSTRACT ........................................................................................................ viii

KATA PENGANTAR .......................................................................................... ix

DAFTAR ISI ....................................................................................................... xii

DAFTAR TABEL ............................................................................................ xviii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xix

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

1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah ................................................................................... 2

1.3 Tujuan ..................................................................................................... 2

1.4 Manfaat ................................................................................................... 3

1.5 Batasan Masalah ...................................................................................... 3

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

2.1 Pengertian Ketel Uap .............................................................................. 4

2.1.1 Proses Terbentuknya Uap .............................................................. 4

2.2 Klasifikasi Ketel Uap .............................................................................. 5

xii

2.2.1 Berdasarkan Fluida Yang Mengalir Dalam Pipa ........................... 5

2.2.2 Berdasarkan Pemakaian ................................................................. 7

2.2.3 Berdasarkan Letak Dapur ............................................................... 7

2.2.4 Berdasarkan Bentuk dan Letak Pipa .............................................. 7

2.2.5 Berdasarkan Sistem Peredaran Air ................................................. 8

2.2.6 Berdasarkan Jumlah Lorong .......................................................... 8

2.2.7 Berdasarkan Kapasitas Uap ............................................................ 8

2.3 Bagian-Bagian Ketel Uap ....................................................................... 8

2.3.1 Ruang Bakar ................................................................................... 9

2.3.1.1 Dimensi Ruang Bakar ........................................................ 9

2.3.2 Drum Ketel Uap ............................................................................. 9

2.3.2.1 Dimensi Drum .................................................................. 10

2.3.2.2 Analisa Kekuatan Pada Drum .......................................... 10

2.3.3 Pipa Waterwall ............................................................................. 11

2.3.4 Cerobong Asap ............................................................................. 11

2.4 Bahan Bakar .......................................................................................... 12

2.4.1 Bahan Bakar Padat ....................................................................... 12

2.4.2 Bahan Bakar Cair ......................................................................... 12

2.4.3 Bahan Bakar Gas .......................................................................... 12

2.4.4 Bahan Bakar Nuklir ...................................................................... 13

2.5 Pembakaran ........................................................................................... 13

2.5.1 Pembakaran Bahan Bakar Padat .................................................. 14

2.5.2 Pemabakaran Bahan Bakar Cair ................................................... 15

2.5.3 Pembakaran Bahan Bakar Gas ..................................................... 15

xiii

2.6 Perpindahan Panas Pada Ketel Uap ...................................................... 16

2.6.1 Perpindahan Panas Secara Pancaran (Radiasi) ............................ 16

2.6.2 Perpindahan Panas Secara Aliran (Konveksi) .............................. 17

2.6.3 Perpindahan Panas Secara Perambatan (Konduksi) ..................... 17

2.7 Kebutuhan Bahan Bakar ....................................................................... 18

2.8 Nilai Kalor Bahan Bakar ....................................................................... 19

2.9 Kalor Pembakaran Dalam Ruang Bakar ............................................... 19

2.10 Kerugian-Kerugian Panas Pembakaran Pada Ketel ............................ 20

2.10.1 Kerugian Cerobong .................................................................... 20

2.10.2 Kerugian Akibat Radiasi ............................................................ 21

2.10.3 Kerugian Panas Karena Abu ...................................................... 21

2.10.4 Kerugian Karena Penguapan Kadar Air Yang Mengandung

H2 Dalam Bahan Bakar .............................................................. 22

2.10.5 Kerugian Karena Peralatan Ketel Dan Yang Lain-Lainnya ....... 22

2.11 Temperatur Bahan Bakar Didalam Ruang Bakar ................................ 22

2.12 Kebutuhan Udara Pembakaran ............................................................ 23

2.13 Jumlah Gas Asap Yang Terbentuk ...................................................... 24

2.14 Panas Yang Diperlukan Ketel Uap ..................................................... 25

2.15 Alat Bantu Ketel Uap .......................................................................... 25

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ...................................................... 29

3.1 Diagram Alir Perancangan .................................................................... 29

3.2 Konsep Desain Ketel Uap Lancashire ................................................... 29

3.2.1 Daftar Persyaratan ........................................................................ 31

3.2.2 Konsep Produk ............................................................................. 32

xiv

3.2.2.1 Drum Ketel ....................................................................... 32

3.2.2.2 Pipa Api ............................................................................ 32

3.2.2.3 Dimensi ............................................................................ 32

BAB IV PERANCANGAN KETEL UAP LANCASHIRE ................................ 33

4.1 Data Ketel ............................................................................................... 33

4.2 Perhitungan Panas ................................................................................. 33

4.2.1 Nilai Kalor Bahan bakar ............................................................... 33

4.2.1.1 Nilai Kalor Atas Atau Highest Heating Value (Hhv) ...... 33

4.2.1.2 Nilai Kalor Bawah Atau Lowest Heating Value (Lhv) .... 34

4.2.2 Kebutuhan Bahan Bakar .............................................................. 34

4.2.3 Kalor Pembakaran Dalam Ruang Bakar ...................................... 35

4.2.4 Panas Yang Diperlukan Ketel Uap .............................................. 36

4.2.5 Kebutuhan Udara Pembakaran ..................................................... 37

4.2.5.1 Kebutuhan Udara Teoritis ................................................ 37

4.2.5.2 Kebutuhan Udara Sebenarnya .......................................... 38

4.2.6 Jumlah Gas Asap Terbentuk ........................................................ 49

4.2.6.1 Jumlah Berat Gas Asap Teoritis ....................................... 39

4.2.6.2 Jumlah Berat Gas Asap Sebenarnya ................................ 39

4.2.6.3 Analisa Gas Asap ............................................................. 40

4.2.7 Kerugian-Kerugian Panas Pembakaran Pada Ketel ..................... 42

4.2.7.1 Kerugian Cerobong ......................................................... 42

4.2.7.2 Kerugian Panas Karena Abu ............................................ 43

4.2.7.3 Kerugian Akibat Radiasi .................................................. 43

4.2.7.4 Kerugian Karena Penguapan Kadar Air Yang Mengandung

xv

H2 Dalam Bahan Bakar .................................................... 44

4.2.7.5 Kerugian Karena Peralatan Ketel Dan Yang Lain –

Lainnya ............................................................................. 44

4.2.7.6 Total Kerugian Dari Ketel ................................................ 44

4.2.7.7 Efisiensi Ketel .................................................................. 45

4.2.7.8 Panas Yang Berguna ........................................................ 45

4.2.7.9 Tabel Neraca Kalor .......................................................... 46

4.2.7.10 Diagram Sankey ............................................................. 47

4.3 Bagian Utama Ketel .............................................................................. 47

4.3.1 Ruang Bakar ................................................................................. 47

4.3.1.1 Dimensi Ruang Bakar ...................................................... 47

4.3.1.2 Temperatur Pembakaran Bahan Bakar Didalam Ruang

Bakar ................................................................................ 50

4.3.2 Drum Ketel ................................................................................... 51

4.3.2.1 Dimensi Drum Ketel ........................................................ 51

4.3.2.2 Analisa Kekuatan Pada Drum .......................................... 53

4.4 Luas Bidang Perpindahan Panas ........................................................... 54

4.4.1 Luas Perpindahan Panas Secara Pancaran Atau Radiasi .............. 54

4.4.2 Luas Perpindahan Panas Secara Aliran Atau Konveksi ............... 56

4.4.3 Luas Perpindahan Panas Secara Perambatan Atau Konduksi ...... 57

4.5 Perpindahan Panas ................................................................................ 58

4.5.1 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Diluar Pipa Api ...... 60

4.5.2 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Didalam Pipa Api .. 62

4.5.3 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh .......................... 64

xvi

4.6 Jumlah Pipa Api Ketel Uap ......................................................... 64

4.7 Kebutuhan Supply Air ................................................................ 66

4.8 Cerobong Ketel .......................................................................... 67

BAB V PENUTUP ................................................................................... 70

5.1 Kesimpulan ................................................................................ 70

5.2 Saran-Saran ................................................................................ 72

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 74

LAMPIRAN

xvi

i

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1 Persyaratan Perancangan Drum Ketel Uap Lancashire ....................... 31

Table 4.1 Data Komposisi Kimia Dalam Bahan Bakar Batubara ........................ 33

Tabel 4.2 Persentase Kandungan Gas Asap ......................................................... 41

Tabel 4.3 Neraca Kalor ........................................................................................ 46

Tabel 4.4 Beban Spesifik Ruang Bakar ............................................................... 48

Tabel 4.5 Kontanta Pancaran dari Stephan-boltzmann ........................................ 54

Tabel 4.6 Peralihan Panas ........................................................................ 56

Tabel 4.7 Angka Perambatan Panas ..................................................................... 58

xviii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Ketel Pipa Api .................................................................................... 6

Gambar 2.2 Ketel Pipa Air ..................................................................................... 6

Gambar 2.3 Katup Pengaman .............................................................................. 26

Gambar 2.4 Katup Uap Induk .............................................................................. 27

Gambar 2.3 Manometer ....................................................................................... 27

Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Ketel Uap Lancashire ........................... 29

Gambar 4.1 Diagram Sankey ............................................................................... 47

Gambar 4.2 Ruang Bakar ..................................................................................... 48

xix

DAFTAR PUSTAKA

A. Muin, Ir. Syamsir. 1988. Pesawat-Pesawat Konversi Energi I (Ketel Uap).Jakarta: CV.Rajawali,

Antara, I Nengah Ludra. 2013. Optimalisasi Pembakaran Bahan Bakar Cair Pada Ketel Uap Pipa Api Di PT. Canning Indonesian Products (C I P ) Denpasar – Bali. (Online), Vol. 3 No. 1. Diambil dari http://p3m.pnb.ac.id/dokument/jurnal/. (6 Juli 2015)

Djokosetyardjo, Ir. M. J.. 2013. Ketel Uap. Jakarta: PT. Pradnya Paramita.

DPR. 2015. Laporan Kunjungan Kerja Komisi VII DPR RI ke Provinsi Kalimantan Tengah, Reset Masa Persidangan IV Tahun Sidang 2014-2015

Hariyanto, Puji. 2011. Perancangan Ketel Uap Untuk Pengolahan Kelapa Sawit

Pada PT. Rama Jaya Pramukti. Skripsi, Pekanbaru: Fakultas Teknik,

Universitas Islam Riau

Nusalim, Theo Adrian. 2014. Perancangan Ketel Uap untuk PT. Hongxing Algae International. (Online), Vol 1 No. 13. Diambil dari http://svl.petra.ac.id/catalog/lib.php diakses 14 (Oktober 2015)

Onny. 2011. Pengertian boiler (Ketel uap). Diambil dari http://artikel-teknologi.com/pengertian-boiler-ketel-uap/ (6 Juli 2015)

Primo, Jurandir. 2012. ASME Section I & Section VIII Fundamentals. PDHonline Course M398.

Yohana E dan Askhabulyamin. 2009. Perhitungan Efisiensi Dan Konversi Dari Bahan Bakar Solar Ke Gas Pada Boiler Ebara HKL 1800 KA. Rotasi, (Online), Vol 11 No. 3. Hal: 13-16. Diambil dari http://ejournal.undip.ac.id/index.php (22 Juli 2015)

Zazz, Rev. 2015. Pengertian Boiler Serta Komponen Utamanya. Diambil dari http://www.prosesindustri.com/2015/01/pengertian-boiler-serta-komponen.html (6 Juli 2015)