KALORIMETER 100

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Berkembang pesatnya sebuah industri serta kebutuhan era modern ini menimbulkan berkembangnya penggunaan boiler sebagai alat bantu untuk memproduksi bahan baku. Namun penggunaan boiler saja belum mencukupi sebuah kebutuhan dari produksi industri, perlu adanya sebuah alat pemisah uap secara mekanis, untuk memisahkan uap kering dan uap jenuh, dikarenakan tidak semua industri membutuhkan uap kering untuk proses produksinya, oleh karena itu, terdapat sebuah alat yang mampu memisahkan uap yaitu kalorimetri. Kombinasi pemisahan dan penyeratan kalorimetri digunakan untuk menentukan kualitas uap ( tingkat kekeringan uap ). Kalorimetri merupakan alat untuk memisahkan kandungan air dari uap melalui proses mekanis. Sebagai seorang ahli K3 kelak, kita juga harus mampu memahami kalorimetri agar mengetahui potensi bahaya yang dapat timbul dari kalorimetri serta dapat memberikan rekomendasi pengendalian.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah yang dapat ditulis berdasarkan pemaparan latar  belakang di atas adalah sebagai berikut ini. 1. Apa fungsi kalorimetri yang berkaitan dengan boiler ? 2. Bagaimana pengaruh fraksi kekeringan terhadap besarnya uap kombinasi ?

1.3 Tujuan

Adapun tujuan yang dapat ditulis dari penulisan laporan praktikum kalorimetri adalah sebagai berikut ini. 1. Mampu mengetahui fungsi kalorimetri yang berkaitan dengan bolier. 2. Mampu mengetahui pengaruh fraksi kekeringan terhadap besarnya uap kombinasi.

1.4 Manfaat

Adapun manfaat yang dapat dipetik dari penulisan laporan praktikum kalorimetri adalah sebagai berikut ini. 1. Sebagai salah satu syarat kelulusan dari mata kuliah Praktikum Pesawat Uap dan Bejana Tekan. 2. Dapat digunakan untuk menambah wawasan tentang kalorimetri. 3. Dapat mengetahui bagaimana kondisi kalorimetri di Laboratorium Boiler Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya.

1.5 Manfaat

Adapun ruang lingkup pada penulisan laporan praktikum pesawat uap dan  bejana tekan dengan judul Kalorimetri adalah sebagai berikut ini. 1. Praktikum pesawat uap dan bejana tekan dengan judul Kalorimetri ini dilakukan di Laboratorium Boiler Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. 2. Praktikum kalorimetri ini dilakukan pada tanggal 11 April 2016.

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kalorimetri

Kombinasi pemisahan dan penyeratan kalorimetri digunakan untuk menentukan kualitas uap (tingkat kekeringan uap). Pemisah kalorimetri merupakan alat untuk memisahkan kandungan air dari uap melalui proses mekanis. Proses mekanis tersebut adalah sebagai berikut : 1. Uap basah yang masih mengandung air dilewatkan pada pemisah kalorimetri, karena perapatan air lebih besar dari uap, maka air akan cenderung terlempar dari uap. Air ini dikumpulkan dan jumlahnya dapat diukur. 2. Sedang uap yang relative tidak mengadung air dialirkan ke throttling calorimeter, sehingga tekanannya turun tekanan setelah throttling menjadi sedikit dibawah temperatur atmosfer. Ini menyebabkan uap menjadi kering. Dengan pengukuran temperatur dan tekanan akhir uap, maka tingkat kekeringan uap dapat dihitung. Karena jenis kalorimetri tersebut mempunyai keterbatasan, maka digunakan kombinasi pemisah dan throttling kalorimetri. Uap dengan suhu sama dengan titik didihnya pada tekanan tertentu dikenal dengan uap jenuh kering. Walau demikian, untuk menghasilkan 100  persen uap kering pada suatu industri boiler yang dirancang untuk menghasilkan uap jenuh sangatlah tidak memungkinkan, dan uap biasanya akan mengandung tetesan- tetesan air. Dalam prakteknya, karena adanya turbulensi dan pencipratan, dimana gelembung uap pecah pada permukaan air, ruang uap mengandung campuran tetesan air dan uap. Jika kandungan air dari uap sebesar 5 persen massa, maka uapnya dikatakan kering 95 persen dan memiliki fraksi kekeringan 0,95. Entalpi yang sebenarnya dari penguapan uap  basah merupakan produk fraksi kekeringan ( x) dan entalpi spesifik (hf g) dari tabel uap. Uap basah akan memiliki energi panas yang lebih rendah daripada steam jenuh kering.

2.2 Perhitungan Kalorimetri

Adapun beberapa rumus perhitungan yang berkaitan dengan kalorimetri adalah sebagai berikut ini. a.  Dryness fraction (kualitas uap)  Dryness fraction  dari uap didefinisikan sebagai jumlah uap kering yang terdapat didalam campuran uap basah.  Dryness Fraction =

  jumlah uap ker ing   Jumlah uap ker ing   air 

 . . . . . . . . . . . (2.1)

 b. Sparating calorimeter Separating Calorimeter adalah merupakan peralatan suatu proses mekanis, dimana uap basah masuk secara langsung melewati susunan  berupa sudut-sudut tumpul. Pada saat melewati sudut-sudut ini, gaya inersia air yang terkandung dalam uap menjadi berkurang dan mencegahnya terikut dalam uap sehingga mengakibatkan air akan jatuh dan terkumpul dalam tabung. Disini terjadi proses mekanika dimana pemasukan uap kalorimetri dibuat mengalir secara seri terhadap sudut tumpul sehingga momen inersia dari air menyebabkan mereka terpisah dari alirannya. Jika berat uap kering yang dikeluarkan dari separator adalah Ms, dan berat air yang dipisahkan/tertinggal dalam separator pada waktu yang sama adalah Ma, maka Fraksi kekeringan uap yang diukur melalui separating calorimete r ini (Xs) adalah : Xs =

Wt  Wt  Ws

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.2)

Dimana : Wt = Berat dari uap kering yang diisikan ke dalam kalorimetri Ws = Berat air yang dipisahkan didalam kalorimetri dalam waktu yang sama Xs = Dryness fraction yang diukur melalui kalorimetri s parasi.

c. Trottling Calorimeter  (kalorimetri penghambat) Throttling Calorimeter   adalah merupakan peralatan pemasuk uap kedalam tabung melalui orifice sehinga tekanan turun hingga sedikit diatas tekanan atmosfer (aliran terbuka). Ini menyebabkan uap menjadi Superheat. Melalui pengukuran tekanan dan temperatur uap keluaran ini, maka fraksi kekeringan uap dapat dihitung karena uap meninggalkan tabung separating kandungan air tidak dapat dipisahkan seleruhnya. Throttling calorimeter  terdiri dari aliran fluida melalui sebuah prifice  penghambat dari tekanan lebih tinggi P 1 ke tekanan lebih rendah P 2. Dari  persamaan energi kondisi steady dapat ditunjukkan bahwa penghambat adiabatik (adiabatik trottling ) adalah proses entalphi konstan. Enthalpi uap basah sebelum trottling : H1 = hf1 + xt. hfg1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.3)

Enthalpi uap basah setelah trottling : H2 = hg2 + cp.(t2 –  ts2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.4) Proses enthalpi konstan : H1 = H2 hf 1 + hfg1 = hg2+ cp (t2 - ts2) xt = {hg2 + cp (t2 - ts2) –  hf 1 } / hfg1

. . . . . . . . . (2.5)

dimana : hf 1

= Panas sensibel kondisi 1, dengan tekanan P 1

xt = Dryness fraction pada kondisi trottling kalorimetri hfg1 = Panas laten kondisi 1, dengan tekanan P 1 hg2= Enta\halpi dari uap dengan tekanan P 2, (kJ/kg) cp

= Panas spesifik pada tekanan kostan, (kJ/ kg. K)

t2

= Suhu uap pada trottling kalorimetri, (K)

ts2= Suhu uap jenuh pada tekanan P2, (K) d. Kombinasi Sparating dan trottling Jika W = berat air dalam uap yang meninggalkan separating kalorimetri dan masuk ke dalam trottling kalorimetri. Kemudian dengan definisi dryness fraction :

Xt = (Wt – W)/W dan W = W1 (1-xt)

. . . . . . . . . (2.6)

Tetapi sparating kalorimetri telah memisahkan air seberat Ws, sehingga  berat total air dalam uap basah (Ws + Wt) adalah Ws + W. Adapun skema dari percobaan kalorimetri dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini.

Gambar 2.1 Skema Kalorimetri

(Sumber : Modul Praktikum Pesawat Uap dan Bejana Tekan PPNS, 2007

Adapun beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas uap itu sendiri untuk menjamin keandalan peralatan dan efisiensi dalam pengoperasian antara lain : 1. Dalam jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai tersedia untuk perpindahan panas 2. Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja 3. Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat  perpindahan panas 4. Bersih, karena kerak (misal karat atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan katup 5. Kering, dengan adanya tetesan air dalam steam akan menurunkan entalpi  penguapan aktual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada dinding pipa dan permukaan perpindahan panas.

BAB 3 METODOLOGI PRAKTIKUM

3.1 Peralatan

Adapun peralatan yang digunakan selama melakukan praktikum Kalorimetri adalah sebagai berikut ini. 1.

Seperangkat ketel uap

2.

Pipa uap utama

3.

Pemisah dan throttle calorimeter

4.

Thermometer

5.

Manometer jenis bourdon dan pipa U

6.

Tabel uap

3.2 Bahan

Adapun bahan yang digunakan selama melakukan praktikum Boiler adalah sebagai berikut ini. 1. Air PDAM 2. Bahan Bakar (Solar)

3.3 Prosedur Kerja

Adapun prosedur kerja selama melakukan praktikum Kalorimetri adalah sebagai berikut ini. 1. Menstart aliran air pendingin melalui kondensor. 2. Meletakkan penampung air kondensat dibawah outlet kondensat. 3. Membuka katup uap dan mengalirkan uap melalui kalorimeter untuk  pemanasan sistem. 4. Memeriksa permukaan kondensat sparasi naik sampai cairan itu dapat dilihat dalam pipa kondensat kalorimeter. 5. Membuang kondensat utama dalam penampung kondensat. 6. Mengukur dan mencatat permukaan awal cairan dalam sparating kalorimeter, harga awal dari permukaan kondensat dalam penampung

kondensat, tekanan uap suply, tekanan uap keluar, tekanan atmosfer, suhu uap suply dan suhu uap dalam trottling kalorimeter. 7. Mengukur hal tersebut sebanyak lima kali dalam interval waktu yang sama. 8. Mematikan aliran uap supply dengan katup uap. 9. Mendinginkan peralatan dan mematikan air pendingin kondensor. 10. Men-drain kalorimeter separasi.

3.4 Gambar Kerja

Adapun gambar kerja selama melakukan praktikum kalorimetri dapat dilihat pada Gambar 3.1 berikut ini.

Gambar 3.1 Skema Praktikum Kalorimetri (Sumber : Modul Praktikum Pesawat Uap dan Bejana Tekan PPNS, 2007)

Adapun keterangan dari bagian-bagian yang ada pada Gambar 3.1 adalah sebagai berikut ini. 1. Meter Tekanan 2. Katup Pipa masuk 3. Pengindera Temperatur 4. Pipa Kaca 5. Meter Temperatur 6. Throttling 7. Meter Tekanan 8. Pengindera Lampu 9. Pendinginan

BAB 4 ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisa Data

Adapun data hasil percobaan kalorimetri dapat dilihat pada Tabel 4.1  berikut ini. Tabel 4.1 Data Percobaan Kalorimetri

 No 1 2 3 4 5

Pengamatan Tekanan uap dalam pipa utama P1 (bar) Temperatur Uap Masuk (℃),H1 Jumlah air kondensat setelah throttling (ml) Temperatur uap setelah pengeratan (℃), t2 Jumlah air yang dipisahkan pada separator (ml) 6 Perbedaan air pada manometer (cmHg) 7 Tekanan atmosfer (bar) 8 Tekanan uap setelah throttling (bar) p2 9 Temperatur atmosfer (℃) (Sumber : Hasil Praktikum, 2016)

Hasil Pengukuran 7,93 176,7 610 20 143,3 4,7 1 9,24 33,6

Dari data-data yang diperoleh selama melakukan praktikum kalorimetri, selanjutnya dilakukan perhitungan terhadap beberapa parameter yaitu sebagai  berikut ini. 1. Tekanan absolute uap masuk P1

= Tekanan uap + 1 = 7,93 + 1 = 8,93 bar

Interpolasi hf  P = 7,917 P = 8,93 P = 10,02 hf 

= 718,88 +

h p = 718,88 kj/kg h p = ……... kj/kg h p = 762,09 kj/kg ,−, ,−,

×[762,09&  &718,33]

= 718,88 + 0,482 × 43,76 = 718,88 + 21,092 = 739,422 kj/kg

Interpolasi hfg P = 7,917 P = 8,93 P = 10,02 hfg

hfg = 2049,5 kj/kg hfg = ……... kj/kg hfg = 2015 kj/kg

= 2049,5 +

,−, ,−,

×[2015  2049,5 ]

= 2049,5 + 0,482 × (-34,5) = 2032,871 kj/kg 2. Tekanan uap setelah throttling (P 2) P2

= 4,7 cmHg = 47 mmHg = 47 + 760 = 807 mmHg =

 

= 1,076 mmHg Maka : hg = X pada 1,076 bar Interpolasi: P = 1,014 P = 1,076 P = 1,433 hg

hg = 2676,1 kj/kg hg = ……... kj/kg1 hg = 2691,5 kj/kg

= 2676,1 +

,−, ,−,

×[2691,5  2676,1 ]

= 2676,1 + 0,147 × 15,4 = 2678,36 kj/kg

3. Fraksi kekeringan pada throttling (X t) Xt

= = =

+ [ −]−  ,+,[ ,−]−, , ,−,

= 1,1

,

4. Fraksi kekeringan pada pemisahan (Xs) Xs

= = =

 +  +,  ,

= 0,81

5. Fraksi uap kombinasi (X) X

= X t × Xs = 1,1 × 0,81 = 0,891

4.2 Pembahasan

Pada praktikum kalorimetri telah didapat beberapa variabel, variabel seperti tekanan uap utama, temperatur uap masuk dan setelah throting, temperatur tekanan atmosfer. Perbedaan ketinggian manometer, jumlah air kondensat setelah throting dan jumlah air yang dipastikan pada separator  perhitungan yang telah dilakukan pada praktikum ini antara lain, tekanan absolut uap masuk, tekanan uap setelah throting, fraksi ketinggian pada throting, franzi kekeringan pada pemisahan dan fraksi uap kombinasi. Tekanan absolut uap masuk didapatkan dari tekanan uap utama ditambah 1. Pada praktikum ini didapatkan nilai P1= 7,93+1 = 8,93bar. Setelah itu ditambah nilai hf. Nilai ini didapatkan dari tabel A-2 propertise of saturated water (liquid-vapor). Temperature table in sil unit dari buku “Fundamental of Engineering Thermodinamies” fifth edition dengan interpolasi hf. Setelah nilai hf didapatkan adalah 739,422 dan nilai hfgnya 2032,071 keduanya dalam satuan kJ/kg. Untuk nilai tekanan uap setelah throting apat P2 didapat dari ratarata perbedaan pada manometer air yaitu 47 mmHg (yang sebelumnya dari satuan cmHg) ditambah 1 atm menjadi 807 dibagi densa 750 hasilnya adalah 1,076 bar. Harga P2 ini digunakan untuk mencari inlay hg yang didapatkan dari interpolasi dengan tabel A-3 properties of saturated water (liquid-water)  pressure tabel ins unit dari buku yang sama dengan sebelumn ya. Adapun nilai hg pada praktikum ini adalah 2678,3638 kJ/kg. Perhitungan ketiga yang

dilakukan adalah fraksi kekeringan pada throting atau Xt, nilai ini didapatkan dari rumus :

  =

ℎ   ( 1   2)ℎ ℎ

dimana nilai Cp=1,89 kJ/kgC T1(rata-rata)=176,7 dan T2(rata-rata)=20 untuk nilai hg, hf, dan hfg didapat dari perhitungan sebelumnya. Maka nilai Xt didapatkan sebesar 1,1 nilai ini nantinya akan digunakan untuk mencari nilai fraksi uap kombinasi (x) yang didapatkan dari perkalian antara Xt dan Xs. Nilai Xs merupakan nilai fraksi kekeringan pada pemisahan nilai ini didapatkan dari  jumlah air kondensat setelah throting (Wt) dibags dyngan penjumlahan Wt denna Ws (jumlah air yang dipisahkan separator). Nilai Xs yang didapatkan  pada praktikum kali ini adalah 0,81. Denman didapatkan inlay Xt dan Xs maka nilai X bisa dirai dengan mengalikan keduanya dan menghasilkan nilai 0,891 maka dapat disimpulkan nilai fraksi uap kombinasi pada praktikum kalorimeter kali ini adalah 0,891.

BAB 5 PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang dapat ditulis dari penulisan laporan praktikum Kalorimetri adalah sebagai berikut ini. 1. Uap yang dihasilkan dari boiler dapat dikondensasikan menggunakan kalorimeter sehingga dapat diketahui tingkat kekeringan uap dan kualitas uap. 2. Besarnya fraksi uap kombinasi dipengaruhi oleh fraksi kekeringan pada  penyeretan. Fraksi kekeringan pada penyeretan sendiri dipengaruhi oleh temperatur uap setelah penyeretan sehingga semakin ti nggi temperaturnya maka fraksi kekeringannya semakin besar nilai tersebut. Sehingga dapat disimpulkan jika kita ingin memperoleh kualitas uap yang baik maka yang harus dilakukan ialah menaikkan temperatur uap setelah penyeretan.

5.2 Saran

Adapun saran yang dapat ditulis dari penulisan laporan praktikum Boiler adalah sebagai berikut ini. 1. Selalu melakukan praktikum sesuai prosedur yang ada. 2. Selalu bertanya pada instruktur apabila menemukan kesulitan saat  praktikum.

DAFTAR PUSTAKA

G.Cussons Ltd. 1986.  Boiler, Instructional manual Hand Book . England 1 December 1986, 2 march 1987. M.J Djokosetyardjo. 1999. Ketel Uap. Jakarta : PT Pradnya Paramita. Mardjo. 1995.  Petunjuk Praktikum Mesin Konversi. Bandung : Penerbit Pusat Pembangan Pendidikan Politeknik. Subekti, Arief. 2007. Modul Praktikum Pesawat Uap dan Bejana Tekan. Surabaya: Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya.