Jenis-Jenis Ketel Uap (Steam Boiler)

1. Ketel Uap Vertikal Sederhana 

Ketel uap vertikal sederhana menghasilkan uap pada tekanan rendah dan dalam jumlah kecil. Karenanya digunakan pada pembangkit daya rendah atau pada tempat di mana ruang terbatas. Konstruksi ketel jenis ini diperlihatkan oleh gambar 1. Ketel ini terdiri dari kulit silinder yang mengelilingi kotak api silinder. Kotak api silinder ditap di atasnya tempat mengalirnya uap ke permukaan. Pada dasar kotak api terdapat grate (panggangan). Kotak api dilengkapi dengan dua atau lebih pipa melintang miring F, F. Kemiringan bertujuan untuk menaikkan permukaan pemanasan disamping juga untuk meningkatkan sirkulasi air. Lubang tangan (hand hole) dibuat disamping untuk keperluan pembersihan deposit. Sebuah lubang orang (man hole) dibuat di atas untuk supaya orang bisa memasuki ketel untuk pembersihan. Sebuah lobang abu dibuat pada dasar ketel untuk pembuangan abu yang mengendap. Ruang antara kulit boiler dan kotak api diisi dengan air yang akan dipanaskan.

2. Ketel Uap Cochran atau Ketel Pipa Banyak Vertikal

Ada banyak desain mengenai ketel pipa banyak, ketel Cochran dianggap sebagai salah satu ketel jenis ini yang paling efisien. Ketel cochran merupakan jenis ketel vertikal sederhana yang telah ditingkatkan. Ketel terdiri dari kulit silinder eksternal dan kotak api seperti yang diperllihatkan gambar 2. Kulit dan kotak api keduanya berbentuk setengah bola. Mahkota setengah bola pada kulit memberikan ruang maksimum dan kekuatan maksimum untuk menahan tekanan uap di dalam ketel. Kotak api dan ruang bakar (combustion chamber) dihubungkan melalui pipa pendek. Gas asap dari ruang bakar mengalir ke kotak asap (smoke box) melalui sejumlah pipa asap. Pipa ini umumnya mempunyai diameter luar 62,5 mm dan berjumlah 165 buah. Gas dari kotak asap mengalir ke atmosfir melalui cerobong (chimney).Ruang bakar dilapisi dengan batu tahan api pada sisi kulit. Lobang orang dekat puncak mahkota kulit diperlukan untuk pembersihan.

Pada dasar kotak api terdapat panggangan (dalam halpembakaran batubara) dan batu bara di umpan melalui lobang api (fire hole). Jika ketel digunakan untuk pembakaran bahan bakar minya, tidak diperlukan panggangan, tetapi dasar kotak api dilapisi dengan bata tahan api. Pembakar minyak di pasang di lobang api.

3. Ketel Scotch Marine

Ketel uap marine (kapal) jenis Scotch atau tangki digunakan untuk kerja di laut karena kekompakannya, efisien dalam operasinya dan kemampuannya untuk menggunakan berbagai jenis air. Ketel mempunyai drum dengan diameter dari 2,5 hingga 3,5 meter yang ditempatkan secara horisontal. Ketel uap ini bisa berupa ujung tunggal atau ujung ganda. Panjang ketel uap ujung tunggal bisa sampai 3,5 meter, sedangkan ujung ganda bisa sampai 6,5 meter. Ketel ujung tunggal mempunyai satu sampai empat dapur yang masuk dari sisi depan ketel. Ketel ujung ganda mempunyai dapur pada kedua ujungnya, dan bisa mempunyai dapur dari dua sampai empat pada setiap ujung. 

Ketel uap ujung tunggal Scotch marine bisa dilihat pada gambar 3. Setiap dapur mempunyai ruang bakarnya masing-masing. Terdapat pelat datar di setiap ruang bakar yaitu pelat atas, pelat bawah, dua pelat sisi dan pelat tube/pipa. Sejumlah pipa asap ditempatkan secara horisontal dan menghubungkan ruang bakar dengan cerobong. Pipa dapur, pipa asap dan ruang bakar, semuanya dikelilingi oleh air, memberikan luas permukaan pemanasan yang sangat besar. Air bersirkulasi disekeliling pipa asap. Level air dijaga sedikit diatas ruang bakar. Kotak asap (smoke box) dibuat dengan pintu untuk membersihkan pipa dan kotak asap. 

4. Ketel Lanchasire

Ketel ini merupakan jenis pipa api stasioner, pembakaran dalam, horisontal dan sirkulasi alami. Digunakan jika tekanan kerja dan daya yang diperlukan menengah. Ketel ini mempunyai diameter kulit silinder 1,75 hingga 2,75 meter. Panjangnya bervariasi dari 7,25 m hingga 9 m. Ketel ini mempunyai dua pipa gas asap internal yang berdiameter kira-kira 0,4 kali dari diameter kulit. Gambar ketel ini bisa dilihat pada gambar 4. Ketel ini terdiri dari kulit eksternal silinder panjang (1) yang terbuat dari pelat baja. Ketel mempunyai dua pipa api internal besar (2). Pipa ini diameternya mengecil pada bagian belakang untuk akses ke bagian yang lebih rendah pada ketel. Panggangan api (3) yang disebut juga dapur disediakan pada ujung pipa gas asap dimana disini bahan bakar padat dibakar. Pada ujung panggangan terdapat bata (5) yang berfungsi membelokkan gas asap ke atas. Gas asap panas setelah meninggalkan pipa gas asap internal turun ke pipa dasar (6). Gas asap ini bergerak ke depan ketel dimana alirannya terbagi dan mengalir ke lorong api sisi (7). Gas asap memasuki lorong utama (9) dan selanjutnya menuju cerobong. 

Damper (8) berguna untuk mengatur besar aliran gas asap keluar. Katup (11) berfungsi menyuplai uap ke mesin seperti yang dikehendaki. Ketel dilengkapi dengan katup pengaman pegas (10), katup pengaman jika uap tinggi dan air rendah (12). Blow off cock (16) untuk membuang lumpur dsb yang mengendap pada dasar ketel.

Termokopel

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik(voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1 °C.

Prinsip Operasi

Padatahun1821, seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeckmenemukan bahwa sebuah konduktor (semacam logam) yang diberi perbedaan panas secara gradien akan menghasilkan tegangan listrik. Hal ini disebut sebagai efek termoelektrik. Untuk mengukur perubahan panas ini gabungan dua macam konduktor sekaligus sering dipakai pada ujung benda panas yang diukur. Konduktor tambahan ini kemudian akan mengalami gradiasi suhu, dan mengalami perubahan tegangan secara berkebalikan dengan perbedaan temperatur benda. Menggunakan logam yang berbeda untuk melengkapi sirkuit akan menghasilkan tegangan yang berbeda, meninggalkan perbedaan kecil tegangan memungkinkan kita melakukan pengukuran, yang bertambah sesuai temperatur. Perbedaan ini umumnya berkisar antara 1 hingga 70 microvolt tiap derajad celcius untuk kisaran yang dihasilkan kombinasi logam modern. Beberapa kombinasi menjadi populer sebagai standar industri, dilihat dari biaya, ketersediaanya, kemudahan, titik lebur, kemampuan kimia, stabilitas, dan hasil. Sangat penting diingat bahwa termokopel mengukur perbedaan temperatur di antara 2 titik, bukan temperatur absolut.

Termometer Galileo

Termometer Galileo (atau termometer Galilea), dinamai fisikawan Italia, Galileo Galilei, adalah termometer yang terbuat dari gelas silinder tertutup berisi cairan bening dan serangkaian benda yang kerapatannya sedemikian rupa sehingga mereka naik atau turun sesuai perubahan suhu.

Ciri desain

Di dalam cairan digantungkan sejumlah beban. Umumnya beban tersebut dilekatkan pada bola kaca tersegel yang berisi cairan berwarna untuk efek estetika. Saat suhu berubah, kerapatan cairan di dalam silinder turut berubah yang menyebabkan bola kaca bergerak timbul atau tenggelam untuk mencapai posisi di mana kerapatannya sama dengan cairan sekelilingnya atau terhenti oleh bola kaca lainnya. Bila perbedaan kerapatan bola kaca sangat kecil dan terurutkan sedemikian rupa sehingga yang kurang rapat berada di atas dan yang terapat berada di bawah, hal tersebut dapat membentuk suatu skala suhu.

Suhu dibaca dari ukiran piringan logam di setiap bola kaca. Biasanya sebuah celah memisahkan bola kaca atas dengan bola kaca bawah, berarti nilai suhu berada di antara kedua nilai label baca di setiap sisi celah. Bila bola kaca melayang-layang di celah, berarti nilai label baca mendekati suhu lingkungan.

Untuk mencapai keakuratan yang sesuai, toleransi beban harus dibuat kurang dari 1/1000 per satu gram (1 miligram).

Teori operasi

 Bola kaca dari dekat

Termometer Galilea bekerja dengan prinsip daya apung. Daya apung sendiri menentukan apakah suatu benda mengapung atau tenggelam dalam cairan, serta memberi penjelasan mengapa perahu yang terbuat dari baja bisa mengapung (sementara batangan baja padat dengan sendirinya akan tenggelam).Satu-satunya faktor yang menentukan apakah suatu objek besar naik atau turun dalam suatu cairan tertentu, berkaitan dengan kerapatan objek terhadap kerapatan cairan di mana ia ditempatkan. Jika massa benda lebih besar dari massa cairan pengisi, objek tersebut akan tenggelam. Jika massa benda kurang dari massa cairan pengisi, objek tersebut akan mengapung.

Ekspansi Termal Zat Padat dan Cair

Diskusi kita tentang termometer cair memanfaatkan salah satu perubahan paling terkenal dalam suatu zat: dengan meningkatnya suhu, volumenya meningkat. Fenomena ini, dikenal sebagai ekspansi termal, memainkan peran penting dalam berbagai aplikasi teknik. Misalnya, ekspansi termal sambungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar yang harus disertakan dalam bangunan, jalan raya beton, rel kereta api, dinding bata, dan jembatan untuk mengkompensasi perubahan dimensi yang terjadi karena perubahan suhu. 

Sejarah Teknologi Solar Thermal

Sejarah Teknologi Solar Thermal Salah satu bukti pemanfaatan teknologi solar thermal terdokumentasi padaCode Of Zhou Regulation, yaitu sebuah dokumen pemerintah pada organisasi dan hukum di dinasti Zhou barat pada abad ke 11 SM sampai dengan 771 SM. . Dokumen tersebut menjelaskan penggunaan cahaya matahari untuk membuat api. 

Termometer Gas dan Skala Suhu Mutlak

Salah satu versi termometer gas yang merupakan peralatan dengan volume konstan yang ditunjukkan pada Gambar 19.3. Perubahan fisik yang dimanfaatkan dalam perangkat ini adalah perubahan tekanan dari volume tetap gas terhadap suhu. Labu direndam dalam bak air es, dan merkuri waduk B dinaikkan atau diturunkan sampai bagian atas merkuri di kolom A berada pada titik nol pada skala. Ketinggian h, perbedaan antara tingkat merkuri dalam reservoir B dan kolom A, menunjukkan tekanan dalam labu di 0⁰C dengan cara Persamaan 14.4, P = P₀ + ρgh.

 Labu tersebut kemudian direndam dalam air pada titik uap. Reservoir B menyesuaikan diri sampai atas merkuri di kolom A lagi di skala nol, yang menjamin bahwa volume gas adalah sama seperti ketika labu itu di kamar mandi es (maka penunjukan "konstanta Volume") . Penyesuaian reservoir B memberikan nilai tekanan gas pada 100⁰C. Keduanya, nilai tekanan dan temperatur tersebut kemudian diplot seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.4. Garis yang menghubungkan dua titik berfungsi sebagai kurva kalibrasi untuk suhu yang tidak diketahui. (Percobaan lain menunjukkan bahwa hubungan linier antara tekanan dan temperatur adalah asumsi yang sangat baik.) Untuk mengukur suhu zat, labu gas Gambar

Ekspansi Termal Zat Padat dan Cair

Diskusi kita tentang termometer cair memanfaatkan salah satu perubahan paling terkenal dalam suatu zat: dengan meningkatnya suhu, volumenya meningkat. Fenomena ini, dikenal sebagai ekspansi termal, memainkan peran penting dalam berbagai aplikasi teknik. Misalnya, ekspansi termal sambungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar yang harus disertakan dalam bangunan, jalan raya beton, rel kereta api, dinding bata, dan jembatan untuk mengkompensasi perubahan dimensi yang terjadi karena perubahan suhu. 

Ekspansi termal merupakan konsekuensi dari perubahan pemisahan rata-rata antara atom dalam suatu objek. Untuk memahami konsep ini, mari kita modelkan atom sebagaimana yang terhubung dengan pegas kaku seperti yang dibahas dalam Bagian 15.3 dan ditunjukkan pada Gambar 15.11b. Pada suhu biasa, atom dalam benda padat berosilasi di sekitar posisi keseimbangannya dengan amplitudo sekitar 10^-11 m dan frekuensi sekitar 10¹³ Hz. Rata-rata jarak antara atom adalah sekitar 10^-10 m. Ketika suhu benda padat meningkat, atom berosilasi dengan amplitudo yang lebih besar, sebagai akibatnya, pemisahan rata-rata antara mereka meningkat. Akibatnya, objek mengembang.

Jika ekspansi termal relatif cukup kecil untuk dimensi awal obyek, perubahan dalam dimensi apapun, untuk pendekatan yang baik, sebanding dengan daya pertama dari perubahan suhu. Misalkan sebuah benda memiliki panjang awal L_i sepanjang beberapa arah pada beberapa suhu dan panjang meningkat sebesar ∆L untuk perubahan suhu ∆T. Karena lebih mudah untuk mempertimbangkan perubahan fraksional panjang per derajat perubahan suhu, kita mendefinisikan rata-rata koefisien ekspansi linear sebagai:

     

 Percobaan menunjukkan bahwa α konstan untuk perubahan kecil pada suhu. Untuk tujuan perhitungan, persamaan ini biasanya ditulis sebagai:

∆L = αL_i ∆T                                                                                                      (19.4) 

atau seperti:

L_f - L_i = α L_i (T_f - T_i)                                                                                         (19.5) 

dimana L_f adalah panjang akhir, T_i dan T_f , masing-masing adalah suhu awal dan akhir, dan proporsionalitas konstanta α adalah rata-rata koefisien ekspansi linear untuk bahan tertentu dan memiliki satuan (⁰C)^-1. Persamaan 19.4 dapat digunakan untuk kedua ekspansi termal, ketika suhu material meningkat, dan kontraksi termal, jika suhunya menurun.

Ini mungkin membantu untuk berpikir dari ekspansi termal sebagai perbesaran efektif atau sebagai pembesaran fotografi obyek. Misalnya, ketika pencuci logam dipanaskan (Gambar. 19,8), semua dimensi, termasuk jari-jari lubang, meningkat sesuai dengan Persamaan 19.4. Sebuah rongga dalam sepotong kain mengembang dengan cara yang sama seperti jika rongga diisi dengan materi.

Tabel 19.1 daftar koefisien rata-rata ekspansi linear untuk berbagai bahan. Untuk materi ini, α adalah positif, menunjukkan peningkatan panjang seiring dengan meningkatnya suhu. Namun, itu tidak selalu terjadi. Beberapa zat-kalsit (CaCO₃) adalah salah satu contoh-mengembang seiring satu dimensi (α positif) dan menyusut bersama yang lain (α negatif) karena suhu mereka meningkat.

Karena dimensi linear dari perubahan objek terhadap suhu, maka perubahan luas permukaan dan volume juga demikian. Perubahan volume sebanding dengan volume awal V_i dan untuk perubahan suhu sesuai dengan hubungan:

∆V = β V_i ∆T                                                                                                   (19.6)

di mana β adalah koefisien rata-rata ekspansi volume. Untuk menemukan hubungan antara β dan α, asumsikan rata-rata koefisien ekspansi linear zat padat adalah sama di semua arah, yaitu, menganggap materi bersifat isotropik. Pertimbangkan kotak benda padat dengan dimensi l, w, dan h. Volumenya pada beberapa suhu T_i adalah V_i= lwh. Jika perubahan suhu T_i+∆T, perubahan volume menjadi V_i +∆V, di mana setiap dimensi berubah sesuai dengan Persamaan 19.4. Oleh karena itu,

V_i + ∆V = (l + ∆l) (w + ∆w) (h + ∆h)
= (l + α l ∆T) (w + αw ∆T) (h + αh ∆T)
= lwh (1 + α ∆T)³
= V_i [1 + 3α ∆T + 3(α ∆T)² + (α ∆T)³]

Membagi kedua sisi dengan V_i dan mengisolasi istilah ∆V/V_i, kita memperoleh perubahan fraksional volume:

∆V/V_i = 3α ∆T + 3 (α ∆T)² + (α ∆T)³ 

Karena α∆T << 1 untuk nilai-nilai khas ∆T ( < ~100⁰C), kita dapat mengabaikan ketentuan 3(α∆T)² dan (α∆T)³. Setelah membuat pendekatan ini, kita melihat bahwa

∆V/V_i = 3α ∆T  →  ∆V = (3α)V_i ∆T 

Membandingkan ekspresi ini untuk Persamaan 19.6 menunjukkan bahwa

β = 3α

Dengan cara yang sama, Anda dapat menunjukkan bahwa perubahan dalam luas piring persegi panjang diberikan oleh ∆A = 2α A_i ∆T.

             Mekanisme sederhana yang disebut bimetallic strip (Keping bimetal), ditemukan pada perangkat praktis seperti termostat, menggunakan perbedaan koefisien ekspansi untuk bahan yang berbeda. Ini terdiri dari dua keping logam tipis berbeda yang terikat bersama. Ketika suhu kepingan meningkat, dua logam mengembang dengan jumlah yang berbeda dan tikungan kepingan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.9.

Perilaku Air Yang tidak biasa 

Cairan umumnya mengalami peningkatan volume dengan meningkatnya suhu dan memiliki koefisien rata-rata ekspansi volume sekitar sepuluh kali lebih besar daripada zat padat. Air dingin merupakan pengecualian untuk aturan ini seperti yang Anda lihat dari kurva densitas versus temperatur yang ditunjukkan pada Gambar 19.11. Karena suhu meningkat dari 0⁰C ke 4⁰C, air menyusut dan densitasnya meningkatkan. Di atas 4⁰C, air mengembang dengan meningkatnya suhu dan kepadatannya menurun. Oleh karena itu, kepadatan air mencapai nilai maksimum 1.000 g/cm³ pada 4⁰C. 

  

Kita dapat menggunakan perilaku ekspansi termal yang tidak biasa dari air untuk menjelaskan mengapa kolam mulai membeku pada permukaan daripada bagian bawah. Ketika suhu udara turun, misalnya 7⁰C ke 6⁰C, air permukaan juga menjadi dingin dan akibatnya terjadi penurunan volume. Permukaan air lebih padat daripada air di bawahnya, yang belum didinginkan dan belum mengalami penurunan volume. Akibatnya, air permukaan tenggelam, dan air hangat dari bawah bergerak ke permukaan. Ketika suhu udara antara 4⁰C dan 0⁰C, bagaimanapun, permukaan air mengembang saat mendingin, menjadi kurang padat daripada air di bawahnya. Proses pencampuran berhenti, dan akhirnya air permukaan membeku. Ketika air membeku, es tetap di permukaan karena es kurang padat dibandingkan air. Es terus terbentuk di permukaan, sementara air di dekat bagian bawah tetap pada 4⁰C. Jika itu tidak terjadi, ikan dan bentuk lain dari kehidupan laut tidak akan bertahan (Serway, 2010:549-553).