3. Boiler Design.pdf

Boiler Design Prof. Semin, Ph.D, C.Eng

Departemen Teknik Sistem Perkapalan Institut Teknologi Sepuluh Nopember

OUTLINE: 3.1 Umum 3.2 Fuel Combustion a. Fuel analysis b. Combustion air c. Efficiency d. Oil burner selection 3.3 Furnace Design a. Exit gas temperature b. Radiant heat-absorbing surface c. Heat absorption rates d. Tube metal temperature e. Design limitations 3.4 Boiler Tube Bank

OUTLINE: 3.5 Superheaters a. Types and characteristics. b. Arrangement of steam passes. c. Tube temperatures, materials, and attachment to headers d. Supports e. Location of headers f. Slagging and heat-temperature corrosion g. Reheaters 3.6 Air Heaters and Economizer a. Air heaters b. Economizers

OUTLINE: 3.7 Desuperheaters and Attemperators 3.8 Circulation and Steam Baffles a. Circulation: boiler tube banks and furnace water-walls b. Heated downcomers c. External and unheated internal downcomers d. Steam drum baffles

3.1.General Menentukan proporsi yang tepat dari berbagai macam jenis pemanasan untuk menyediakan panas yang maksimum dengan memanfaatkan hasil dari pembakaran. Tiap komponen harus sesuai dengan unit lain agar mendapatkan desain yang seimbang sesuai dengan biaya awal, bahan bakar, perawatan, dan biaya operasi. Karena tidak hanya keandalan atau keselamatan yang diperhatikan. Desain yang sesuai dapat memenuhi biaya yang paling rendah pada life cycle basic.

3.1.General Pertimbangan – Pertimbangan untuk sistem generator uap 1. Peralatan fuel burning 2. Tungku perapian 3. Boiler generating surface 4. superheater (dan reheater jika digunakan) 5. economizer dan alat pemanas udara 6. attemperator (atau kendali) dan pelengkap desuperheaters 7. Circulatory dan system 8. casing dan setting 9. Pembersihan peralatan 10. Safety valves dan alat-alat bantu lain 11. Feed water dan treatment 12. foundations dan support (dasar dan pendukung alat) 13. combustion air system 14. system uptake gas duct dan stack

3.1.General Perhitungan pembakaran yang ditentukan pada tiap jam jumlah dari cerobong gas yang mengalir melalui setiap unit. Keluaran atau suhu pada stack gas cerobong gas harus didinginkan untuk mencapai effisiensi yang diinginkan.

Gambar Effisiensi terhadap stack gas temperature

3.1.General

Gambar Effisiensi terhadap stack gas temperature

3.2.Fuel Combustion Fuel combustion merupakan pembakaran bahan bakar. Terdapat beberapa syarat agar bahan bakar tersebut mudah terbakar dalam proses pembakaran, antara lain: - Bentuk molekul : bubuk halus atau gas - Supply oksigen yang cukup - Panas awal minimal = titik nyala bahan bakar

3.2.Fuel Combustion A. Analisa bahan bakar Analisa bahan bakar dilakukan untuk mengetahui kandungan oksigen, hidrogen dan karbon yang terdapat dalam bahan bakar yang digunakan. Karena kualitas bahan bakar berbeda bisa sangat berbeda kandungan energinya. Perbedaan ini berpengaruh terhadap kebutuhan udara dan panas yang dilepaskan di ruang bakar, begitu juga dengan massa aliran gas buang yang meninggalkan ruang bakar.

B. Udara Pembakaran

3.2.Fuel Combustion

Dalam proses pembakaran memerlukan oksigen yang telah disediakan oleh udara pembakaran. Unsur lain dari udara berfungsi sebagai pengencer. Campuran dari udara antara lain oxygen, nitrogen, CO2 dengan jumlah yang sedikit , embun, argon, dan inert gas yang lain. Jenis udara yang dibutuhkan memiliki temperature 100F, kelembapan relatif 40 %, dan tekanan barometic 29,92 in Hg. Kadar yang dibutuhkan sekitar dalam (%) : Karbon 87,85 Hidrogen 10,50 Sulfur 1,20 Oksigen 0,49 Nitrogen 0,15

B. Udara Pembakaran

3.2.Fuel Combustion

Persentase perubahan secara teoritik udara untuk pembakaran terhadap variasi C, H2 dan S dari kandungan bahan bakar minyak.

C. Efisiensi

3.2.Fuel Combustion

Efisiensi boiler digambarkan sebagai perbandingan dari panas masuk dan panas keluar. Panas yang keluar adalah juga setara dengan panas masuk dikurangi kerugian itu sendiri. Efisiensi boiler yang dibutuhkan biasanya ditetapkan oleh spesifikasi atau keseimbangan panas. Rumus : Effisiensi = heat output heat input = heat input – heat losses heat input Efficiency = Hi – HL/Hi = Hi – (Hg-Hu)/Hi

C. Efisiensi

3.2.Fuel Combustion

Dimana : Hi = tinggi nilai kalor bahan bakar yang dibakar sesuai dengan panas spesifik pada tekanan konstan, ditambah panas di atas 100 F didalam bahan bakar yang diinjeksikan. Hl = rugi panas Hg = rugi tumpukan Hu = rugi radiasi yang tidak dapat dihitung dan margin manufaktur

C. Efisiensi

3.2.Fuel Combustion Ketika pemanas udara uap (steam air heaters) diinstal, panas yang masuk (heat input) dari uap diisi panas yang masuk total boiler dan effisiensi menjadi : Effisiensi = (Hi + Ha ) – Hl Hi + Ha = (Hi + Ha) – ( Hg + Hu) Hi + Ha Dimana, Ha merupakan panas yang ditambahkan di atas 100 F ke pembakaran udara oleh pemanas udara uap ( steam air heater ).

C. Efisiensi

3.2.Fuel Combustion

D. Oil Burner Selection

3.2.Fuel Combustion

• Pemilihan tipe dan jumlah alat pembakar minyak (oil burner) yang akan digunakan tergantung pada kerugian sarat yang tersedia, dimensi tungku perapian dan tingkat pembakaran boiler. • Kapasitas tinggi, lebar-jarak alat pembakar (burner) biasanya dipilih untuk instalasi yang mengurangi jumlah alat pembakar (burner) yang dibutuhkan dan menyederhanakan perawatan dan operasi.

D. Oil Burner Selection jarak ruang pembakar minyak

3.2.Fuel Combustion

D. Oil Burner Selection

3.2.Fuel Combustion

• Perawatan harus dilakukan dalam merencanakan alat pembakar untuk menyediakan distribusi udara ke setiap alat pembakar dengan windbox untuk mengoptimalkan pembakaran. • Jarak ruangan (clearance) diantara alat pembakar dan dinding tungku (furnace) harus cukup untuk mencegah gangguan dan tubrukan. • Volume tungku (furnace) harus cukup besar untuk menyediakan kebutuhan waktu untuk pembakaran.

3.3.Furnace Design Setelah laju pembakaran serta jumlah dan jenis pembakar minyak ditetapkan, desain tanur dilakukan. ada dua jenis umum konstruksi boiler dinding tungku 

Dinding tahan api



Dinding yang didinginkan udara

Oleh karena itu yang perlu diperhatikan antara lain : 

Temperatur gas buang



Permukaan penyerap panas radiasi.



Tingkat penyerapan panas



Temperatur tabung logam



Batas rancangan

3.3.Furnace Design A. Temperature gas yang dikeluarkan

Selama bertahun-tahun, perkiraan akurat dari suhu udara yang keluar tungku tidak diperlukan dikarenakan tingkat pembakaran konservatif dan penggunaan uap jenuh. unit-unit uap akibat pemanasan berlebih yang dihasilkan biasanya memiliki beberapa baris dari tabung boiler antara superheater dan tungku. akibatnya, kesalahan besar dalam menghitung temperatur gas yang keluar tungku memiliki efek yang sangat sedikit pada kinerja superheat.

3.3.Furnace Design A. Temperature gas yang dikeluarkan Ketika memperkirakan temperatur gas tungku, kebanyakan desainer menggunakan rumus berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann, yang menyatakan bahwa panas yang diserap oleh radiasi sebanding dengan perbedaan antara kekuatan keempat suhu mutlak dari radiasi tubuh dan permukaan menerima. Namun, dalam tungku boiler penentuan yang tepat dari perpindahan panas radiasi atau penyerapan panas, sangatlah kompleks dan tergantung pada: bentuk dan ukuran tungku, balok yang memancarkan panas (rata-rata jarak dari massa gas radiasi ke permukaan penyerap), tekanan parsial dari hasil pembakaran, jumlah, jenis, dan efektivitas dari permukaan penyerap panas , rasio menyerap panas ke permukaan tahan panas, jenis, kuantitas, dan konten panas dari bahan bakar, jumlah udara berlebih, suhu udara pembakaran, kerugian panas yang tersembunyi, emisivitas berbagai permukaan dan massa radiasi dari gas, dan terangnya cahaya api.

3.3.Furnace Design A. Temperature gas yang dikeluarkan

Gambar Konstruksi dinding tungku.

3.3.Furnace Design B. Penyerap panas radiasi (radiant heat absorbing surface) Dalam mengevaluasi permukaan penyerap panas radiasi, daerah proyeksi datar dari dinding dan pinggir tabung yang digunakan. Suhu tungku gas biasanya tidak akurat diperkirakan dalam analisis awal karena karakteristik desain umum adalah kepentingan utama, dan perkiraan perkiraan suhu tungku gas dan tingkat penyerapan panas dapat dibuat dengan pengetahuan tentang boiler dan kondisi pembakaran. dengan demikian, dengan mengasumsikan udara berlebih, kandungan panas dari produk pembakaran dan suhu adiabatik dapat ditentukan. Dalam tungku boiler, baik suhu gas keluar tungku maupun penyerapan panas dapat diubah dengan lumayan.

3.3.Furnace Design C. Laju penyerapan panas (heat absorption rates) Tingkat penyerapan panas tungku per ft2 permukaan serap panas radiasi menaikkan tingkat pelepasan panas yang lebih besar. Namun, persentase dari total panas yang dilepaskan, yang diserap dalam boiler dengan radiasi, menurun dengan peningkatan tingkat pembakaran, dan bervariasi dari sebanyak 50 persen, atau lebih, dengan tingkat pembakaran yang lebih rendah menjadi sekitar 15 persen pada pembakaran yang lebih tinggi.

3.3.Furnace Design C. Laju penyerapan panas (heat absorption rates)

Gambar Efek dari kelebihan udara pada adiabatic dan temperatur gas perapiaan.

3.3.Furnace Design C. Laju penyerapan panas (heat absorption rates)

Hasil ini berdasarkan fakta bahwa temperatur adiabatic tetap konstan. Kecuali perubahan yang disebabkan oleh bervariasinnya udara yang berlebih dan temperatur udara pembakaran, yang melebihi batas dari pengoperasiaan boiler. Ketika gas yang bertemperatur tinggi meninggalkan tungku dan memasuki tube bank maka akan meningkatkan laju pembakaran.

3.3.Furnace Design D. Temperatur tabung logam (tube metal temperature) Pada Boiler, laju perpindahan panas yang melewati boiling water film di dalam tabung-tabung mungkin setinggi 20.000 Btu/Ft²-hr-F; namun, ketika perhitungan temperature dari tube metal, laju perpindahan hanya 2000 Btu/Ft²-hr-F. Hal ini biasanya diasumsikan untuk menyediakan batas untuk menanggulangi hambatan dari kemungkinan tidak lancarnya laju perpindahan. Jadi dengan laju penyerapan panas 120.000 Btu/ Ft²-hr. Temperatur yang turun melewati water film sekitar 60 derajat F. Dengan pengecualian pengunaan heavy tube walls. Dengan sirkulasi yang cukup dalam boiler dan menyediakaan kualitas feedwater yang bagus, panas yang masuk pada tabung tungku akan dibatasi hanya oleh temperatur tube metal, penyaluran panas dan tekanan.

3.4.Furnace Design E. Batasan dalam mendesain (Design Limitation) Untuk sementara tidak ada spesifikasi temperatur gas buang tungku yang dapat digunakan sebagai kriteria desain untuk seluruh macam boiler, itu semua harus cukup tinggi untuk menjaga pembakaran yang baik di semua tingkatan. Tingkatan panas yang dilepaskan per kaki persegi dari dinding penyerap panas radiasi umumnya antara 200.000 sampai 250.000 Btu per jam pada desain merchant boiler. Boiler pada kapal didesain untuk tingkatakan empat sampai lima kali lebih besar yang digunakan untuk merchant boiler dilaut.

3.3.Furnace Design E. Batasan dalam mendesain (Design Limitation) Tingkat penyerapan panas radiasi bervariasi tergantung pada laju pembakaran dan jumlah yang didinginkan pada permukaan tungku.Pada umumnya penyerapan panas radiasi yaitu 120.000 Btu per kaki persegi dari permukaan yang dingin per jam, dianggap mampu untuk terus menerus selama pengoperasian beban berlebih dari merchant boiler dengan diperlakukan feedwater menguap.Hasil pada penyerapan saat 100.000 Btu per kaki persegi dari permukaan dingin per jam pada tingakatan beban penuh.

3.4.Boiler Tube Bank Susunan untuk rancangan boiler tube bank dilakukan setelah dilakukan furnace design

3.4.Boiler Tube Bank Total dari panas yang masuk pada tungku adalah jumlah dari radiasi dan transfer panas konveksi . Pada umumnya transfer panas konveksi berkisar antara 5 sampai 20 % dari transfer panas radiasi. Jarak transfer panas konveksi relatif luas tergantung dari hasil memvariasikan diameter tabung, tube pitch, gas mass flow rate, dan perbedaan temperature antara produk pembakaran dan permukaan tabung.

3.4.Boiler Tube Bank Pemasangan berapa jumlah tabung yang diinginkan tergantung dari baris tabung instalasi terutama tergantung atas sirkulasi sistem dan tergantung seberapa suhu yang diinginkan saat keluar tabung bank. Suhu gas saat keluar dari tabung boiler bank bervariasi dengan perubahan tekanan uap, Firin rate, dan desain susunana ukuran tabung. Pemanasan permukaan yang cukup pada boiler harus dipasang untuk memperoleh hasil suhu gas buang pada kondisi ekonomi operating ter efisien dan tidak membutuhkan terlalu banyak tumpukan dan breeching insulasi.

Hambatan pada aliran gas dapat divariasikan cukup dengan mengubah luasan tabung arah tegak lurus terhadap arah aliran gas atau dari merubah lebar boiler , panjang tabung , dan penomeran dari barisan tabung.

Saat merancang untuk steam bertekanan tinggi sering perlu meningkatkan jarak tabung untuk meningkatkan ligament efisisensi dan mengurangi ketebalan dari tabung drum set. ini belum ,besarnya tekanan panas mungkin bisa dibentuk atau ditentukan pada saat tabung diset, hal itu juga mungkin mempertahankan jarak tabung dan menurunkan ketebalan dari tabung drum set,denggan menggunakan diameter terkecil pada pembuangan terakhir.

3.4.Boiler Tube Bank

3.4.Boiler Tube Bank Naval boiler biasanya memiliki waterscreens terdiri dari tiga atau empat baris tabung dan boiler merchant ship umumnya memiliki dua atau tiga waterscreens baris di depan superheater. Sebagian besar perpindahan panas di superheater ini akibat konveksi dan radiasi antar-tabung, namun jarak dari tabung biasanya dapat dipilih untuk tungku yang cukup suhu uap relatif konstan melalui berbagai peringkat.

3.5.Superheater A.Definisi  Superheater adalah bagian dari Boiler yang mengubah saturated steam (uap air basah) menjadi superheated steam atau (uap air kering)  Uap air yang diproduksi oleh boiler konvensional umumnya hanya mencapai fase saturated, dan pada boiler superheater uap air saturated ini akan dipanaskan dari suhu ±250°C menjadi super heated steam (±360°C).  Superheater umumnya beroperasi pada 31 hingga 34.5 Mpa dan 595◦C hingga 650◦C

3.5.Superheater B. Tipe dan Karakteristik 1. Radiant Superheater, terletak di dalam ruang bakar 2. Convection Superheater, terletak di jalur uap panas/gas 3. Separately fired Superheater, terletak diluar dari Boiler

3.5.Superheater C. Pengaturan Melewati Uap  Pengaturan uap harus menghasilkan penurunan tekanan diterima dan suhu tabung logam  Menyediakan distribusi uap baik jika perlawanan mengalir dalam tabung di tinggi dibandingkan dengan yang di bagian header  Perkiraan akurat suhu uap memasuki dan meninggalkan, diperlukan untuk menentukan resistensi terhadap aliran dan untuk merancang dan mengatur diafragma di header superheater

3.5.Superheater C. Pengaturan Melewati Uap

Three Pass hairpin loop type

3.5.Superheater C. Pengaturan Melewati Uap

Two-pass continous loop type

3.5.Superheater D. Temperatur Tabung, Material dan Pemasangan Header

Temperatur logam tabung  gas dan temperatur uap yang berdekatan  ukuran, ketebalan dan material tabung  konduktifitas panas dari logam  film uap dari debit perpindahan panas  seluruh panas yang masuk

3.5.Superheater D. Temperatur Tabung, Material dan Pemasangan Header Temperatur logam tabung tertinggi biasanya ditemukan dalam tabung yang memiliki presentase minimal dari aliran uap yang mana menerima sekitarr 110% untuk rata-rata aliran gas Aliran paralel  sering digunakan pada uap terakhir yang lolos

3.5.Superheater E. Equipment Pendukung

 Suhu pada ujung bracket bisa mencapai 1700° F  Penambahan Cooling-water pada tiap bracket, yang berguna untuk mendinginkan sistem.

3.5.Superheater F. Lokasi Header  Pada Superheater Horisontal, pada umumnya diletakkan dibelakang dan tabung dipasang didepan boiler  Pada Superheater Vertikal, tabung dapat dipasang melalui tungku depan ataupun belakang  Pada instalasi lain, tabung akan dipasang melalui rongga superheater

3.5.Superheater G. Kerak dan Korosi Pada Temperatur Tinggi  Kerak dan korosi pada temperatur tinggi pada tabung disebabkan oleh variasi jenis bahan bakar yang digunakan dan sejumlah bahan bakar yang terkontaminasi.  Tingginya kadar abu dan kontaminasi, khususnya sodium klorida dan garam vanadium, biasanya menghasilkan kerak dan korosi

3.5.Superheater G. Kerak dan Korosi Pada Temperatur Tinggi  Untuk mengatasi ini, perancangan superheater dikembangkan dengan “in-line” bukan “staggered” pengaturan tabung, peningkatan pitch tabung , dan dengan lokasi superheater pada zona temperatur gas terendah untuk menyediakan banyak hubungan temperatur gaslogam  Untuk matrerial yang biasa digunakan, temperatur logam rata-rata dibatasi pada 1050° F

3.5.Superheater G. Kerak dan Korosi Pada Temperatur Tinggi  Untuk perawatan dan pembersihan korosi dan kerak biasanya menggunakan 1. Blower untuk menghilangkan jelaga 2. Rongga yang dibuat diantara superheater bank

dan

boiler

3.5.Superheater H. Reheater  Reheater dirancang untuk mengatasi kerugian tekanan uap yang rendah  Temperatur uap pada reheater biasanya dibatasi pada 550°F600°F  Beberapa reheater dipasang terpisah dari superheater itu sendiri

3.5.Superheater H. Reheater  Keuntungan

Energi lebih besar Memperlambat Kondensasi

Mengurangi konsumsi bahan bakar dan air

3.5.Superheater H. Reheater  Kerugian

Biaya Perawatan Lebih Besar

Resiko Tinggi

3.5.Superheater I. Skema Superheater

3.6. Air Heater & Economizer 

Pemanas udara dan Economizer diperlukan untuk memperoleh efisiensi yang tinggi pada kerja boiler.



Ketika pemanas udara atau economizer dipasang, maka bagian dari boiler, pemanas udara, dan permukaan economizer harus seimbang. Biasanya perbedaan temperatur diantara produk-produk hasil pembakaran dan panas fluida yang terserap dalam economizer dan pemanas udara akan lebih besar daripada bagian terakhir dari tabung boiler. Ini menguntungkan untuk mengurangi panas yang terserap dipermukaan yang diwajibkan untuk memperbaiki panas yang diberikan. Dalam pemanas udara, bagian yang menguntungkan dihasilkan oleh perbedaan suhu ditingkatkan diimbangi oleh resistensi yang tinggi terhadap arus panas di film udara [19]. Oleh karena itu, proporsi permukaan komponen harus dipelajari dengan seksama untuk memperoleh pengaturan keseluruhan secara ekonomis

3.6. Air Heater & Economizer temperatur gas yang meninggalkan economizer tidak boleh kurang dari temperature inlet water, hal ini menyebabkan temperature tinggi feedwater mengurangi efisiensi yang dapat diperoleh. Akibatnya, dengan temperature feedwater yang tinggi, economizer tidak sering digunakan kecuali jika diinstal di sambungan dengan air heaters

3.6. Air Heater & Economizer Fungsi air heater mengharuskan udara yang bertekanan meningkat menuju ke unit boiler karena penambahan hambatan laju udara yang menuju air heater. Udara yang bertekanan juga harus meningkat ketika menggunakan economizer karena hambatan yang relative tinggi ke aliran gas yang masuk ke economizer, tetapi untuk boiler yang mempunyai ukuran yang sama beroperasi pada tingkat pembakaran yang sama, instalasi air heater biasanya akan memerlukan total udara bertekanan yang lebih besar daripada unit yang terpasang dengan economizer

3.6. Air Heater & Economizer A. Air Heater Air heater. Udara panas dapat meningkatkan pembakaran, mengurangi kerusakan boiler, dan mengurangi kemungkinan khususnya pada titik bawah terendah pada tingkat Di dalam air heater, koefisien perpindahan panas yang udara ymempunyai besar yang sama, dan hambatan besar aliran bertemu didalam lapisan gas pada kedua sisi pipa

3.6. Air Heater & Economizer B. Economizer Marine economizer dapat dikelompokkan menjadi dua klasifikasi, tpe bare-tube dan tipe extended-surface. Terdapat banyak tipe dari jenis economizer extenden-surface. Yang paling mencolok yaitu tipe ini menggunakan tiang baja atau sirip spiral baja yang dilas pada pipa Jika air umpan ke economizer mengandung oksigen, oksigen yang dilepaskan ketika panas diterapkan dan dapat mengakibatkan korosi tabung dan header. Oleh karena itu, ketika economizers digunakan, selalu diperlukan untuk membuat ketentuan untuk deaerasi air umpan

3.7. Desuperheater & Attemperator A. Definisi Desuperheater

Desuperheaters dan attemperators merupakan penukar panas yang berfungsi untuk mengurangi dan mengontrol suhu uap super panas (superheated steam).

3.7. Desuperheaters & Attemperators B.Klasifikasi Desuperheater Terdapat dua tipe desuperheater yang umum digunakan, yaitu: 1. Tipe Internal (drum), yang bisa dipasang di tabung uap (steam drum) maupun tabung air (water drum), 2. Tipe Eksternal, yang terletak dalam sistem perpipaan eksternal boiler.

3.7. Desuperheaters & Attemperators B.Klasifikasi Desuperheater Desuperheater tipe ini, dapat terdiri dari satu pipa atau sejumlah pipa berdiameter kecil yang digulung atau dilas pada suatu manifold dan dipasang di bawah permukaan air di dalam steam drum atau water drum.

Seperti dalam gambar di samping, merupakan desuperheater yang dipasang di dalam steam drum. Pemasangannya dapat diatur sedemikian hingga agar dapat memberikan luasan permukaan panas yang diperlukan, di dalam area yang tersedia di dalam steam drum maupun water drum.

Tipe Internal (1)

3.7. Desuperheaters & Attemperators B.Klasifikasi Desuperheater Fungsi dari desuperheater tambahan adalah untuk mengurangi suhu sebagian uap super panas (superheated steam) dari output boiler untuk digunakan dalam mesin - mesin bantu, pemanasan, dll. Desuperheater ini dirancang mampu menurunkan suhu sebesar 50 hingga 75o F pada tekanan 75 sampai 100 psi di bawah tekanan outlet uap superpanas (superheater steam).

3.7. Desuperheaters & Attemperators B.Klasifikasi Desuperheater Desuperheater eksternal biasanya dari jenis semprot dan digunakan untuk menyediakan uap dalam jumlah yang lebih besar dibandingkan tipe internal. Namun, pada desuperheater tipe ini, kualitas uap relatif tidak terlalu diperhatikan.

Tipe Eksternal

Sumber : desuperheaters.com

3.7. Desuperheaters & Attemperators C. Attemperator Attemperator merupakan sebuah desuperheater yang digunakan untuk mengatur suhu akhir uap super panas (superheated steam) sesuai dengan nilai - nilai desainnya. Untuk mendapatkan stabilitas suhu seperti yang ditunjukkan pada “kurva tak-terkontrol” berikut ini.

3.7. Desuperheaters & Attemperators C. Attemperator Attemperator ini bermanfaat untuk mendapatkan nilai efektifitas pemakaian paling tinggi terhadap material superheater dan sistem pipa uap utama.

3.8. Circulation and Steam a. Circulation boiler tube banks and furnace water-walls Pada analisis sirkulasi boiler dapat diasumsikan pada U. Bagian riser dari pipa-U adalah bagian dari tube banks di dan air panas ke atas seperti diterapkan. Bagian pemanas atau bagian dari tube banks di mana penyerapan rendah daripada di bagian riser Dalam sistem sirkulasi, jumlah air yang cukup harus pon uap yang dihasilkan. Karena itu, jika persentase uap keluaran tabung riser digunakan sebagai kriteria desain, memvariasikan persentase diijinkan sebagai perubahan persentase uap dengan volume akan meningkat. Boiler dirancang untuk rasio air-uap (berat atau air / berat uap pembangkit tenaga listrik) berkisar antara 5,0, dan 10,0 biasanya jatuh pada kisaran 15,0-20,0 pada tarif kelebihan

3.8. Circulation and Steam b. Heated Downcomers Jika rasio evaporasi yang konservatif dan suhu gas tidak lebih dari 750 F, beberapa baris pertama dari tabung penambah dan sisanya disebut sebagai Heated Downcomers. pembakaran, zona gas bersuhu tinggi kembali ke tube banks tabung menjadi risers sedangkan jumlah yang lebih kecil Jika rasio pembakaran meningkat, jumlah downcomer sirkulasi terhambat, kasualitas tabung terjadi, kemudian jika mengindikasikan hal seperti itu harus dipasang downcomer unheated internal.

3.8. Circulation and Steam c. External and Unheated Internal Downcomers

Downcomer eksternal hanya bagian dari boiler, tidak sebagai downcomer. Penggunaan unheated internal downcomer dan mengurangi tabung di boiler bank utama. Selanjutnya, unheated internal mempersulit pengaturan tube bank, terhadap aliran gas, mengurangi penyerapan panas pada Perpindahan panas ke downcomers internal dapat menggunakan plate, stud-tube, atau finned-tube pelindung

3.8. Circulation and Steam d. Steam drum baffle Steam drum baffle biasanya digunakan di marine dan pengaturan yang sederhana.

Video

Sample Design Problem Diasumsikan bahwa boiler tunggal diperlukan untuk melengkapi uap yang diperlukan untuk penggerak utama pada kapal. Boiler ini adalah two – drum integral - furnace boiler dilengkapi dengan pemanas uap udara / steam air heater dan economizer. Tungku harus benar-benar dingin dan two wide – range burner yang akan digunakan. Superheater akan

dipasang secara vertikal dan akses satu rongga akan disediakan.

Sample Design Problem Dari keseimbangan panas awal untuk rating ABS dari 30.000 kapal, persyaratan operasi berikut harus dipenuhi : Tekanan uap, drum, kurang lebih …………………

960 psig

Tekanan uap,superheater, outlet …………………

875 psig

Temperature uap, superheater outlet ……..

955 F

Aliran uap Superheater Desuperheater Total

185,520 lb / hr 16,870 lb / hr 202,390 lb / hr

Sample Design Problem

Temperature feedwater ……………………………………………………………………………………………………………248 F Efisiensi ( berdasarkan 1% radiasi dan losses dan 5% kelebihan udara ) ……………………………..88,5% Nilai total pemanasan bahan bakar (standart bunker C+ditambah panas udara)…..19,264 Btu / lb Bahan bakar yang diperlukan ……………………………………………………………………………………..14,349 lb / hr

Temperature udara, yang meninggalkan steam air heater …………………………………………………...278 F Aliran udara ( 16,07 lb / lb oil pada 15% kelebihan udara ) ………………………………….……………230,600 Cerobong aliran gas = 244,937, dikatakan ……………………………………………………………….245,000 lb / hr

Sample Design Problem A. Tata Letak Boiler Dua buner minyak akan digunakan untuk memasok total aliran minyak 14.349 lb / jam pada daya yang ditetapkan dan sekitar 8.000 lb / jam masing-masing pada overload.

Sistem Boiler

Sumber www.spiraxsarco.com

Sample Design Problem

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Volume tungku, permukaan yang dingin dan radiant heat absorbing surface (RHAS) adalah : Volume tungku Furnace yang diproyeksikan RHAS

= =

2655 𝑓𝑡 2

1200 𝑓𝑡 2 =

1175 𝑓𝑡 2

(berdasarkan rumus pada Section 2 – Chapter 2 buku Marine Engineering – Roy L.Harrington)

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku

Dengan rating nilai bahan bakar yang lebih tinggi dari 18,500 Btu / lb, furnace rating pada rate power : Release rate =

14,349 𝑥 18,500 2655

Oil rate / RHAS =

14,349 1175

= 99,985 𝐵𝑡𝑢 /𝑓𝑡 3

= 12,2 𝑙𝑏 /𝑓𝑡 2

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku

Panas adiabatic yang rasional dalam gas pembakaran dapat dihitung dari persamaan (43) dari chapter 2. dengan nilai yang lebih rendah dari nilai pemanasan 17.500 btu / lb dan panas sensible bahan bakar 46 btu / lb (100 deg F naik pada 0,46 panas spesifik), untuk pembakaran sempurna panas yang sensible menjadi 𝐿𝐻𝑉+ 𝑄𝑓+ 𝑇𝑎−𝑇0 𝐶𝑝𝑅 𝑞𝑇𝐴 = 𝑅+1 17,500+46+(278−80)(0.2445)(13.98) 13.98+1

𝑞𝑇𝐴 = = 1216 btu/lb

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku

Dari gbr. 2 bab 2 suhu api adiabatik, Ta, ditemukan menjadi 3990 F atau 4450 R. dengan 15% kelebihan udara 17,500+46+(278−80)(0.2445)(16.07) 𝑞𝑇𝐴 = 16.07+1 = 1073 Btu / lb untuk menentukan faktor emisivitas bentuk, FEFA, data berikut diperlukan: 𝑉𝐹 = 2655𝑓𝑡 3 𝑆𝑇 = 1200𝑓𝑡 2 𝑆𝑐 = 1175𝑓𝑡 2 𝑃𝐹 = 1 𝑎𝑡𝑚

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku

Oleh karena itu pelepasan density ( lihat persamaan (37) chapter 2 ) 𝑊𝐹 14,349 = = 5.40 𝑃𝐹 𝑉 𝐹

1 𝑥 2655

3

Dan dari gbr.7 chapter 2 faktor konsentrasi K adalah 0.056. jarak radiasi adalah L = 0.6 2655 = 8.3 𝑓𝑡. Persamaan (37) chapter 2 dapat di evaluasi untuk menentukan emisivitas api ∈𝐹 = 0.95 1 − 𝑒 −

0.056 1 8.3

= 0.353

Dan untuk 𝑆𝑐 /𝑆𝑇 nilai 0.98,FEFA, ditentukan sebesar 0.34 dari gbr.6 chapter 2.

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Untuk proses perhitungan, hal ini diperlukan untuk mengasumsikan beberapa nilai dari suhu keluaran furnace. Diasumsikan Diasumsikan TE,F 2,200 2300 2,400 Diasumsikan TE, R 2,660 2,760 2,860 TA, R 4,450 4,450 4,450 (Qc/S0)1; persamaan (35) Chapter 2; Btu/ft2-hr 81,800 88,100 94,700 QTA; lihat diatas ; Btu/lb 1,073 1,073 1,073 QTA; gbr.2 chapter 2; Btu)/lb 617 651 683 (Qe/Sc)2; persamaan (36) dari Chapter 2; Btu/ft2-hr 95,100 88,000 81,300

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Dengan merencanakan nilai dari (Qc/Sc)1 dan (Qc/Sc)2 untuk mengasumsikan keluaran temperature furnace, seperti digambarkan pada gbr. 42, keluaran temperature furnace yang tidak sesuai ditetapkan menjadi TE = 2298 F dan penghisapan furnace diketahui sebesar 88,100 Btu/ft3-hr.

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Koreksi diaplikasikan pada keluaran temperature furnace diakibatkan oleh efek dari rear-wall convection yang ditetapkan setelahnya (chapter 2, subsection 2.2). furnace terdiri dari 2 inch OD,ketebalan 0,165 inch, ASME SA 178 A, welded tubes anti listrik. Proyeksi area dari rear-wall adalah 190 ft2, dan setengah bagian depan permukaan wall, Sw = 284 ft2.

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Dari subsection 1.2 (d) chapter 2, temperature permukaan tube didalam furnace sebesar Ts = ts + (Qe/Sc) Xe/k = 592 F Dimana; Ts = 541 F pada tekanan drum saturation 975 psi Qc/Sc = 88,100 Btu/ft2-hr Xe = ketebalan equivalent tube = ½ D0 logeD0/D1 = 2/2 loge 2/1.67 = 0.180 K = konduktifitas tube = 310 Btu/hr-ft-F

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Kemudian, dengan mengestimasi keluaran temperature furnace yang sesuai, TE,menjadi 2200 F temperature film tube dapat dikira-kira dengan; 𝑇𝐸 + 𝑇𝐸 2298 + 2200 + 𝑇𝑆 + 592 2 2 𝑇𝑓 = = = 1412 𝐹 2 2 Koefisien temperature fT (persamaan (46) chapter 2) menjadi 𝑓𝑇 = 0.00003875 𝑇𝑓 + 0.1035 = 0.1586

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Dengan aliran gas di cerobong Wg dari 245,000 lb/hr dengan dua buah burner yang memiliki diameter keluaran sebesar 2 ft, berat gas tersebut atau G sebesar 39,000 lb/ft2-hr. kedalaman furnace sebesa 14 ft, koefisien transfer panas dari furnace, hRW dapat dituliskan dari persamaan (45) chapter 2 sebagai;

ℎ𝑅𝑊 =

𝐺 0.58 𝐷0.47

𝑓𝑇 = 12,4 Btu / hr-ft2-F

Sample Design Problem B. Perhitungan Tungku Dari gbr. 3 chapter 2 panas spesifik CP dari gas cerobong pada TF adalah 0.314 Btu/lb-F; meskipun koresi keluaran temperature furnace T E dapatditentukan sebagai 𝑇𝐸 =

𝑇𝐸− 𝑇𝑆

ℎ𝑟𝑤𝑆𝑤 + 𝑇𝑆 =

𝑒 𝑤𝑖𝐶𝑟

2298−592 12.4 𝑥 284 𝑒 245.000 𝑥 0.814

+ 592

𝑇𝐸 = 2222 𝐹 Estimasi nilai TE 2200 F dirasa akurat sebagai dari hasil penghitungan dengan menghilangkan factor error.

Sample Design Problem C. Heating Surfaces Setelah menentukan keluaran temperature furnace , perfoma dari boiler screen, superheater, dan generating bank dievaluasi secara berkala. Dari perkiraan layout boiler,

screen (2 rows) superheater (10 rows) generating bank (24 rows)

1.25

tube transverse diameter pitch pitch in. In. 2 3.5 1.25 1.875 1.875 2.37

back area in. 2.5 1.75 75

gas flow heating surface ft2 100 70 11.460

ft2 765 4.065

Sample Design Problem C. Heating Surfaces Temperature uap terakhir yang selanjutnya akan ditentukan. Panas yang terserap oleh uap didalam superheater oleh radiasi didalam furnace adalah; 𝑄𝑆𝐻𝑒 = 𝐴𝐹1 𝑄𝑐 /𝑆𝑐 Dimana A = area proyeksi screen = 12.9 x 14 = 180 ft2 F1 = faktor kebocoran pada screen tube pitch / rasio diameter 1,75 (gbr. 8 – chap. 2) 𝐹𝐿 = 1 − 𝐹𝐴 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡1 − 𝐹𝐴 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡2 𝐹𝐿 = 1 − 0.73 − 0.18 = 0.09 𝑄𝑐 𝐵𝑡𝑢 = 88,100 − 𝑓𝑡 2 𝑆𝑐

ℎ𝑟

Sample Design Problem C. Heating Surfaces Oleh karena itu 𝑄𝑆𝐻𝑟 = 180 0.09 88,100 = 1,427,000 𝐵𝑡𝑢/ℎ𝑟 panas yang diserap di superheater dengan konveksi dari aliran gas buang adalah 𝑄𝑆𝐻𝑟 = 𝑊𝑔 𝐶𝑝 (𝑇1 − 𝑇2 ) 𝑄𝑆𝐻𝑟 = 245,000 0.316 2084 − 1339 = 57,680,000 Btu / hr

Sample Design Problem C. Heating Surfaces akibatnya, total panas yang diserap di superheater adalah QSHc + QSHc = 59,107,00 Btu / hr. dengan superheater aliran steam dari 202,30 lb / hr, munculnya kenaikan panas uap melewati superheater adalah 292 Btu / lb, sehingga sejak uap jenuh memasuki superheater memiliki entalpi 1193 Btu / lb, entalpi akhir superheater uap perheated adalah 1485 Btu / lb, yang sesuai dengan suhu uap akhir dari 958 F pada tekanan 890 psia.

Sample Design Problem C. Economizer Permukaan economizer yang diperpanjang akan digunakan untuk pemulihan panas akhir. economizer akan dirancang untuk mengurangi suhu gas buang hingga 316 F yang dibutuhkan untuk mendapatkan efisiensi boiler sebesar 88,5% seperti yang diinginkan.1,5 in. masuk-OD economizer tubing yang dipilih memiliki 1,75 ft2 dari permukaan per kaki lineal tabung. dalam ruang diindikasikan untuk economizer ditunjukkan pada gbr layout boiler, Unit yang memiliki lebar 18 row dan panjang 14 ft dapat diinstal. Kondisi service economizer, unit akan memiliki tingkat perpindahan panas keseluruhan 15 Btu/hr-ft2-F. total pemanasan permukaan economizer yang diperlukan, tinggi economizer, dan suhu air akhir yang akan ditentukan.

Sample Design Problem C. Economizer Perhitungan economizer dapat dilanjutkan sebagai berikut: temp. gas, menuju T1 temp. gas, melewati T2 perubahan temp. gas ΔTg gas panas yang masuk (fig. 2 – chap. 2), Qg1 Gas panas yang keluar, Qg2 Perubahan panas gas, ΔQg Aliran gas, Wg Feed temp. masuk, t1

631 F 316 F 315 F 149 Btu / lb 65 Btu / lb 84 Btu / lb 245,000 lb / hr 284 F

Sample Design Problem C. Economizer Feed enthalpy masuk, h1 Aliran feedwater, WW Kenaikan feedwalter enthalpy (ΔQg x Wg/Ww), Δh Feed enthalpy keluar (h1 + Δh), h2 Tekanan discharge feed pump, p Temp. feed water keluar (h2 dan p),t2 𝑇 −𝑡 −(𝑇 − 𝑡 ) 𝐿𝑀𝑇𝐷 = 1 1 𝑇1 −2 𝑡1 2 𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑇 − 𝑡 2 2

`

255,3 Btu / lb 202,390 lb / hr 101,7 Btu/lb 357,0 Btu/lb 1200 psig 382 F 105,6 F

Sample Design Problem C. Economizer Koefisien transfer panas economizer, U Luas permukaan economizer yang diperlukan (ΔQg x Wg / U x LMTD), S Panjang economizer yang dipanaskan, L Jumlah row tube, NW Area per foot tube, A Tinggi tube yang dianjurkan (S/LNWA) Jumlah ketinggian row tube (inlet dan outlet)

15 Btu / hr-ft2-F 12,990 ft2 14 ft 18 1.75 ft2 / ft 29.5 30

Sample Design Problem C. Economizer Rancangan awal boiler telah complete. Additional peringkat boiler, yaitu, sebagian, beban atau overload, akan dihitung berikutnya. mengikuti, draft kerugian, karakteristik sirkulasi, temperatur tabung logam, kontrol dan ukuran tambahan desuperheater, pengaturan katup pengaman, aneka penurunan tekanan, dan pertimbangan serupa akan diselidiki.

Ucapan Terima Kasih M Agus Sulaiman Susi Nariati Aji Suryadi Faisal Adam Uswatul Chasanah Wirahman Abdul M Fatchurrachman Rizki F Arian Puji Fajardianto M. Abdul Rokim Dimas Kurniawan

4212100042 4212100046 4212100047 4212100048 4212100051 4212100055 4212100056 4212100058 4212100067 4212100068

Daftar Pustaka Harrington, R.L (Ed), Marine Engineering, SNAME, New York, 1992.