[Materi 4] Mesin Uap

image
4.1 Sejarah dan Pengertian Mesin Uap
Mesin uap adalah mesin pertama yang berhasil ditemukan dan merupakan kekuatan pendorong di belakang revolusi industri. Mesin uap telah digunakan untuk menyalakan kereta api, kapal, mesin pabrik, dan bahkan mobil. Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dalam uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis. Mesin uap digunakan, dalam lokomotif dan kapal laut.

Sejarah Mesin Uap :
a. Hero (10-70) Masehi
Seorang ahli matematika bernama Hero. Membuat mesin yang dikenal dengan nama Aeolipile atau Aeolypile, atau juga disebut dengan Eolipile.
image
Gambar 4.1 Aeolipile

Prinsip kerja mesin ini adalah dengan menggunakan tekanan uap untuk memutarkan bola (bejana) yang berisi air sebagai bahan baku penghasil uap. Bola (bejana) tersebut dapat berputar karena adanya dorongan dari uap yang keluar dari nosel yang terletak pada sisi samping bejana. Metode Hero yang mengubah tenaga uap menjadi gerak ini merupakan dasar bagi para penerusnya untuk mengembangkan teknologi mesin uap di masa yang akan datang.

b. Giovanni Battista della Porta (1538 – 1615)
Seorang sarjana, berasal dari Napoli, Italia. Ilmuwan yang pertama kali menemukan peranan uap dalam menciptakan ruang hampa. Teori yang dikemukakannya adalah bahwa jika air dikonversikan menjadi uap dalam wadah tertutup dapat menghasilkan peningkatan tekanan. Demikian pula sebaliknya, jika uap dikondensasikan menjadi air dalam ruangan tertutup maka akan menghasilkan penurunan tekanan.

c. Denis Papin (1647 – 1712)
Fisikawan, ahli matematika, dan berkebangsaan Prancis menemukan suatu alat yang dinamakan steam digester yang menjadi cikal bakal ditemukannya mesin uap dan presser cooker (panci masak bertekanan).

d. Thomas Savery (1650 – 1715)
Seorang insinyur yang bekerja pada militer Inggris berkebangsaan Inggris. Penemuannya ini diawali ketika ia bekerja pada sebuah tambang batubara yang mengalami kesulitan dalam memompa air yang digunakan untuk mengairi tambang tahun 1968.

e. Thomas Newcomen (1663 – 1729)
Seorang pandai besi dari Inggris yang menemukan mesin uap atmosfer, sebuah perbaikan terhadap desain Thomas Savery sebelumnya. Mesin uap Newcomen menggunakan kekuatan tekanan atmosfer untuk bekerja tahun 1712.

f. James Watt (1736 – 1819)
James Watt adalah seorang insinyur mesin dan penemu asal Skotlandia tahun 1769. Mesin James Watt ini segera menjadi desain untuk semua mesin uap modern dan memicu terjadinya revolusi industri. Satuan daya Watt diambil dari nama James Watt di mana 1 Watt besarnya setara dengan 1/746 HP.

.
4.2 Boiler
Boiler merupakan kombinasi antara sistem dan peralatan yg dipakai untuk perubahan energi kimia bahan bakar menjadi energi termal dan pemindahan energi termal yang dihasilkan itu ke fluida kerja sehingga berubah dari air menjadi uap. Proses konversi energi kimia bahan bakar menjadi energi termal (heat generation) berlangsung di daerah tungku dengan bantuan alat pembakar bahan bakar. Proses pemindahan energi termal ke fluida kerja (heat transfer) berlangsung pada bagian-bagian utama Pembangkit uap. Klasifikasi Boiler sebagai berikut :

a. Menurut penggunaan
• Utility Boiler, Untuk pembangkit tenaga listrik. Kapasitas besar, P dan T uap tinggi, efisiensi tinggi, dapur dinding pipa air dn burner, bila P uap > 14 MPa biasanya dgn reheater
• Industrial Boiler, Untuk pemanasan dan proses, dll. Kapasitas lebih kecil, P dan T uap lebih rendah, dapur dgn burner, stoker atau fluidized bed, tanpa reheater.
• Marine Boiler, Sebagai sebagai sumber penggerak kapal. Bentuk kompak, bobot lebih ringan, kebanyakan berbahan bakar minyak, tanpa reheater

b. Menurut sirkulasi kerja
• Sirkulasi natural
Sirkulasi fluida di pipa evaporator akibat perbedaan massa jenis antara campuran air-uap di riser dan air di downcommer. Dgn dua atau satu drum, hanya beroperasi pada P subkritis

• Sirkulasi paksa
Sirkulasi fluida di pipa evaporator dihasilkan secara paksa oleh pompa sirkulasi yg dipasang pada sirkuit sirkulasi. Dengan drum tunggal atau separator, hanya beroperasi pada tekanan subkritis

• Once-through boiler
Tanpa drum, fluida secara paksa dialirkan melalui pipa-pipa evaporator hanya oleh pompa air pengisi, dapat beroperasi pada P subkritis dan superkritis

• Sirkulasi kombinasi
Terdapat pompa sirkulasi, back-pressure valve, dan pencampur. Pada saat start, back-pressure valve dibuka dan boiler beroperasi sebagai boiler sirkulasi paksa. Pada pencapaian beban spesifik, pompa sirkulasi pada posisi off, back-pressure valve menutup secara otomatis, dan boiler beroperasi sebagai once-through boiler. Dapat beroperasi pada tekanan subkritis dan superkritis

c. Menurut daya ( P ) kerja
• Boiler P rendah dan sedang (<10 MPa)
Digunakan sebagai industrial boiler, sirkulasi natural, beberapa diantaranya dgn boiler bank, dapur dgn burner atau stoker, tanpa reheater.

• Boiler P tinggi (10-14 MPa)
Digunakan sebagai utility boiler, biasanya sirkulasi natural, dgn reheater hanya bila tekanannya >14 MPa.

• Boiler P sangat tinggi (>17 MPa)
Digunakan sebagai utility boiler, sirkulasi natural atau paksa tergantung pada engineering-economical aprroach, dgn reheater; harus dipertimbangkan pencegahan terhadap film boiling dan korosi karena temperatur tinggi.

• Boiler P superkritis (>22,1 MPa)
Digunakan sebagai utility boiler; kapsitas besar, sirkulasi once-through atau kombinasi, dgn reheater, harus dipertimbangkan pencegahan terhadap pseudo-film boiling, dan korosi karena temperatur tinggi.

d. Menurut bahan bakar atau sumber panas
• Boiler dengan bahan bakar padat
Terutama digunakan batubara; komponen bahan bakar dan karakteristik abu adalah faktor sangat penting dalam desain boiler.

• Dengan bahan bakar minyak
Dengan kecepatan gas buang yang lebih tinggi dan volume dapur yang lebih kecil.

• Dengan bahan bakar gas
Terutama digunakan gas alam atau gas dapur tinggi; dengan kecepatan gas buang yang lebih tinggi dan volume dapur yang lebih kecil.

e. Menurut metoda pembakaran
• Dengan Stoker
Terutama digunakan pada industrial boiler

• Dengan Burner
Terutama digunakan pada utility boiler atau industrial boiler kapasitas besar.
• Dengan cyclone furnace
Cocok untuk batubara yg mempunyai viskositas slag rendah dan kandungan besi rendah. Bahan bakar dibakar di dalam dinding pipa air silinder, dan api dipusarkan oleh pancaran udara-serbuk batubara secara tangensial atau oleh pancaran udara sekunder secara tangensial dengan kecepatan tinggi (80 - 120 m/s); abu dibuang dari dapur dalam bentuk cairan.

• Dengan fluidized bed
Partikel bahan bakar padat (1 - 6 mm) diletakkan pada rangka bakar dan dari beneath dihembuskan aliran udara pada kecepatan tertentu sehingga partikel terangkat diatas permukaan rangka bakar dan dibakar pada keadaan mengambang; digunakan pada industrial boiler untuk membakar bahan bakar padat kualitas rendah.

f. Menurut metoda pembuangan slag di dapur
• Boiler dengan dry ash furnace
Cocok untuk batubara dengan abu yg mempunyai temperatur fusi (leleh) tinggi; abu dibuang dari pengumpul abu di bawah dapur dalam keadaan padat dan kering.

• Boiler dengan slag tap furnace
Slag cair mengalir ke kolam cairan slag di bawah dapur dan di tap ke dalam tangki slag yang berisi air.

g. Menurut Orientasi Lintasan Air/Uap – Gas Pembakaran
• Firetube Boiler
Api dan gas panas hasil pembakaran melintas di dalam tube, sedangkan air/uap berada di luar tube di dalam bejana. Untuk mengurangi tebal bejana, penggunaan dibatasi :

  • Tekanan uap maks: 17 bar, operasional: 10 bar,
  • Diameter : 8 ft.

• Watertube Boiler
Api dan gas panas hasil pembakaran melintas di luar tube, sedangkan air/uap mengalir di dalam tube. Cocok sekali dipakai untuk pembangkit uap berkapasitas besar dan bertekanan tinggi :

  • Tek. : 45 s/d 140 atm (jenis pipa air biasa); 350 atm (jenis superkritis)
  • produksi uap : s/d 2100 ton/jam
  • diameter pipa : 2 hingga 4 inch.

4.2.1 Komponen utama boiler
a. Drum ketel
Semua boiler yg beroperasi di bawah P subkritis, kecuali untuk tipe once-through, biasanya dilengkapi dengan drum uap. Di dalam drum, uap jenuh dipisahkan dari campuran air-uap yg keluar dari riser pada ruang uap dan peralatan pemisah yg sudah dipasangkan di dm drum tersebut. Drum uap berfungsi juga sebagai vessel penyimpan air yg mengakomodasi perubahan permukaan air selama perubahan beban dan internal water treatment; untuk itu ukuran drum uap harus cukup besar untuk memuat peralatan pemisah dan menampung sejumlah air yang diperlukan. Panjang drum harus lebih besar dari lebar atau kedalaman dinding boiler, tergantung pada susunannya. Diameter dalam drum uap tergantung pada tekanan, jenis sirkulasi, kapasitas produksi uap dan jenis peralatan pemisah.

b. Superheater
Untuk memanaskan lanjut uap jauh di atas temperatur jenuhnya sebelum digunakan. Penggunaan uap panas lajut pada turbin uap disamping menaikkan efisiensi global dari siklus juga mengurangi kelembaban yg tinggi pada saat berekspansi di dalam turbin. Superheater pada boiler terbagi dua yaitu :
• Superheater konveksi: Temperatur uap yg dihasilkan naik (atau konstan) bila produksi uap bertambah.
Keuntungan: bisa mengikuti beban.
Kerugian: temperatur uap tidak bisa tinggi.

• Superheater kombinasi: biasanya diperlukan bahwa temperatur akhir uap tetap tinggi dan konstan meskipun beban pembangkit uap berubah-ubah. Untuk itu sering di gunakan superheater kombinasi dan dilengkapi dengan alat pengatur.

c. Sistem pengaturan uap
dipengaruhi oleh banyak faktor : aliran gas: kecepatan gas, temperatur gas, aliran uap: kecepatan aliran uap, masalah abu, metoda pembakaran, susunan burner, jenis bahan bakar dll. Perlu adanya sistem pengaturan : Pengaturan yg akurat dapat menghindarkan tegangan yg berlebihan pada superheater dan tingkat awal turbin, juga bisa mempertahankan efisiensi global dari siklus

d. Ekonomiser
Ekonomiser adalah alat pemindah panas berbentuk tubular yang di gunakan untuk memanaskan air umpan boiler sebelum masuk ke steam drum. Istilah ekonomiser di ambil dari kegunaan alat tersebut, yaitu untuk menghemat (to economize) penggunaan bahan bakar dengan mengambil panas (recovery) gas buang sebelum di buang ke atmosfir.Ekonomiser di temukan olehGustaf de laval pada tahun 1882 di swedia. Kerja ekonomiser di tentukan oleh fluida yang mempunyaikoefisien perpindahaan panas yang rendah yaitu gas, Kecepatan perpindahan panas dapat di tingkatkan dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan panas total dengan cara mengatur susunan tubing/properti fin dan meningkatkan luas kontak perpindahan panas respon yang di hasilkan oleh ekonomiser adalah efektifitas perpindahaan panas dan biaya operasi. Efektifitas perpindahaan panas adalah besarnya energi yang dapat terambil dari total jumlah energi yang dapat di serap. Semakin besar efisiensi perpindahan panas pada ekonomiser, maka panas gas sisa yang terambil semakin banyak. Semakin besar evektifitas perpindahan panas yang terjadi maka alat tersebut semakin efisien.

e. Pemanas udara
Temperatur gas asap meninggalkan Ekonomiser ~ 400oC s/d 700oC , merupakan kerugian bila langsung dibuang ke udara luar melalui cerobong. Maka harus dimanfaatkan untuk memanasi udara pembakar dalam suatu alat yang disebut “pemanas udara / air heater”.

f. Evaporator/Furnace
Evaporator adalah salah satu komponen yang terdapat di dalam boiler yang memiliki fungsi untuk mengubah air menjadi uap jenuh.

g. Penangkap debu.

4.2.2 Performansi dan Efisiensi
a. Performansi; kemampuan memindahkan panas dari bahan bakar ke air sehingga mencapai spsifikasi kondisi operasional

b. Spesifikasi performansi (termasuk kapasitas operasi dan faktor untuk mangatur kapasitas);
• Tekanan uap, kualitas air boiler, temperatur boiler, tekanan boiler, boiler drafts dan kerugian draft, analisa gas buang, analisa bahan bakar, pembakara bahan bakar.
• Spesifikasi performansi tambahan; kebutuhan daya fan (temperatur gas buang dan kerugian draft), dan asumsi kebutuhan bahan bakar.

c. Efisiensi Boiler; rasio panas yang diserap oleh air terhadap panas yang disuplai ke boiler (dinyatakan dalam persentase).

.
Referensi :
ppt mata kuliah Konversi dan Konservasi Energi prodi teknik mesin UPN Veteran Jakarta

ppt mata kuliah Sistem Pembangkit Tenaga prodi teknik mesin UPN Veteran Jakarta

h*ttp://repository.stimart-amni.ac.id/1566/2/BAB%20II.pdf