Pemanasan tangki dan pengadukan: waktu pemanasan, injeksi uap langsung, koil dan mantel, kehilangan panas tangki, pengaduk, waktu campur, dan pusaran

Laundry sebuah rumah sakit menyiapkan air panas di tangki baja 3 m³ yang dipanaskan koil uap di dekat dasarnya. Pemasok tangki menjanjikan air 60 °C dalam sekitar empat puluh menit dari air sumur. Kenyataannya, setiap pagi operator menunggu sekitar sembilan puluh menit, dan mesin cuci pertama sering mengisi dengan air yang lebih dingin dari setelan, walaupun panel menunjukkan tangki sudah 60 °C. Di ruang yang sama, tangki pengencer alkali berpengaduk selalu berbusa dan pengaduknya membentuk corong pusaran yang dalam.

Teknisi menemukan beberapa penyebab. Uap yang sampai ke koil hanya sekitar 1 bar karena tangki berada di ujung jaringan, dan perangkap uap koil tersumbat sehingga sebagian koil terendam kondensat. Tangki tidak berisolasi dan kehilangan banyak panas pada malam hari. Sensor suhu dipasang di dekat permukaan, tempat air terpanas berkumpul, sehingga panel membaca 60 °C sementara air di dasar tangki baru 35 °C. Tangki pengencer tidak bersekat, sehingga pengaduk di tengahnya memutar seluruh isi tangki dan menyedot udara. Bab ini menjelaskan cara menghitung waktu pemanasan, memilih cara memanaskan, mengurangi kehilangan panas, dan mengaduk tangki dengan benar.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pemanasan dan pengadukan tangki cairan di laundry, dapur, dan utilitas dari sisi teknisi: energi dan waktu pemanasan, pemanas listrik celup, koil dan mantel, injeksi uap langsung, kehilangan panas, stratifikasi, letak sensor, pengaduk, daya, waktu campur, pusaran, dan busa. Rancangan bejana bertekanan tidak dibahas. Hukum pertama termodinamika ada di Bab 16 · Fisika; perpindahan panas dan isolasi di Bab 24 · Fisika; sifat uap di Bab 3 · Utilitas; perangkap uap dan kondensat di Bab 5 · Utilitas; efisiensi energi dan isolasi di Bab 11 · Utilitas; air panas gedung dan legionella di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas; panas dan utilitas laundry di Bab 16 · Laundry; penukar panas di Bab 7; udara di jalur cairan di Bab 6; isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan; bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan. Sumbernya adalah narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, terutama buku prinsip desain teknik kimia, buku operasi satuan teknik kimia, dan buku plumbing praktis, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Angka umum ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Energi dan waktu pemanasan

Energi untuk memanaskan sejumlah cairan dari suhu awal ke suhu akhir, seperti di Bab 16 · Fisika:

dengan $m$ massa cairan, $c_p$ kalor jenis, sekitar 4,18 kJ/kgK untuk air, dan $T_1$ serta $T_2$ suhu awal dan akhir. Bila pemanas memberi daya bersih $P$, yaitu daya pemanas dikurangi kehilangan panas, waktu pemanasan kira-kira:

Rumus ini berlaku langsung untuk pemanas listrik yang dayanya tetap. Untuk koil uap, daya turun ketika air mendekati suhu uap, sehingga perhitungannya sedikit berbeda, seperti di bawah.

Pemanas listrik celup

Pemanas listrik celup adalah elemen tahanan yang direndam langsung di cairan. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku plumbing praktis bahwa elemen pemanas tersedia dalam berbagai tegangan dan daya baku untuk memenuhi kebutuhan pemasangan. Hal yang perlu diperhatikan (nilai literatur umum):

1. Daya per luas permukaan elemen: elemen dengan daya per luas yang tinggi lebih cepat berkerak di air sadah dan dapat merusak cairan yang peka panas.
2. Elemen harus selalu terendam: elemen yang menyala di udara terbakar dalam waktu singkat; sakelar level rendah memutus pemanas sebelum elemen terbuka.
3. Kerak pada elemen menurunkan perpindahan panas dan menaikkan suhu elemen, seperti di Bab 16 · Kimia.
4. Pengaman suhu lebih yang terpisah dari pengatur suhu, supaya kegagalan pengatur tidak membuat cairan mendidih.

Pemanas listrik besar sering dibagi menjadi beberapa tingkat yang dinyalakan bertahap, sehingga arus awal dan beban puncak listrik gedung tidak melonjak sekaligus. Waktu pemanasan juga dapat dipendekkan tanpa menambah daya dengan memanaskan pada jam yang tarif listriknya lebih rendah dan menyimpan air panas di tangki berisolasi baik; perhitungan ini menyatukan waktu pemanasan dan kehilangan panas yang dibahas di bawah.

Koil dan mantel

Koil adalah pipa yang digulung di dalam tangki, dialiri uap atau air panas. Mantel adalah selubung di luar dinding tangki. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku prinsip desain teknik kimia tentang jenis-jenis bejana bermantel, yaitu mantel bersekat spiral, mantel lesung, dan mantel setengah pipa, bahwa koefisien mantel dengan nosel pengaduk mirip dengan mantel bersekat, dan bahwa jarak lilitan koil biasanya sekitar dua kali diameter pipa.

Untuk koil uap, uap mengembun di dalam pipa pada suhu jenuh yang ditentukan tekanannya, seperti tabel uap di Bab 3 · Utilitas. Uap 1 bar ukur mengembun pada sekitar 120 °C dan uap 4 bar ukur sekitar 152 °C (nilai literatur umum). Karena suhu sisi uap tetap, waktu memanaskan tangki yang teraduk baik dapat dihitung (nilai literatur umum):

dengan $T_s$ suhu jenuh uap, $U$ koefisien menyeluruh koil, dan $A$ luas permukaan koil. Rumus ini menunjukkan dua hal penting. Pertama, tekanan uap yang lebih rendah memperpanjang waktu pemanasan. Kedua, $U A$ yang turun, misalnya karena koil terendam kondensat atau berkerak, langsung memperpanjang waktu. Kondensat harus dibuang dengan perangkap uap yang bekerja dan tepat ukurannya, seperti di Bab 5 · Utilitas.

Injeksi uap langsung

Pada injeksi uap langsung, uap dimasukkan ke dalam cairan dan mengembun di sana, menyerahkan panas latennya seluruhnya. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku prinsip desain teknik kimia tentang kolom yang tidak memerlukan pemanas ulang karena uap langsung dapat dipakai. Cara ini cepat, sederhana, dan dipakai di banyak mesin cuci industri, seperti dibahas di Bab 16 · Laundry. Massa uap yang diperlukan kira-kira (nilai literatur umum):

dengan $h_g$ entalpi uap, sekitar 2.740 kJ/kg untuk uap jenuh beberapa bar, dan suku $c_p T_2$ menyatakan entalpi air kondensat yang ikut menjadi bagian cairan. Hal yang perlu diperhatikan (nilai literatur umum):

1. Pengenceran: uap yang mengembun menambah air; untuk larutan berkadar tertentu, kadarnya turun.
2. Bunyi dan getaran: gelembung uap yang pecah di air dingin menimbulkan bunyi ketukan; penyembur uap dengan lubang kecil yang terendam cukup dalam meredamnya.
3. Aliran balik: saat uap berhenti, cairan dapat tersedot ke pipa uap ketika uap di dalamnya mengembun; katup tahan balik dan pemutus vakum mencegahnya.
4. Mutu uap: uap langsung membawa kotoran dan bahan kimia air boiler ke cairan, sehingga mutunya harus sesuai pemakaian.

Kehilangan panas tangki

Tangki yang lebih panas dari ruangannya terus kehilangan panas (nilai literatur umum):

Untuk permukaan baja telanjang di udara diam, koefisien gabungan konveksi dan radiasi sekitar 8 sampai 12 W/m²K; dengan isolasi setebal beberapa sentimeter, angka efektifnya turun menjadi kurang dari 1 W/m²K, seperti dijelaskan di Bab 24 · Fisika dan Bab 11 · Utilitas. Kehilangan ini kecil dibanding daya pemanas saat pemanasan, tetapi besar selama malam dan akhir pekan ketika tangki diam.

Tutup tangki yang terbuka menambah kehilangan karena penguapan, yang pada air panas dapat lebih besar dari kehilangan lewat dinding. Tutup yang rapat dan berisolasi memotong kehilangan itu dan juga mengurangi uap di ruangan. Pipa, katup, dan flensa yang tidak berisolasi di sekitar tangki ikut menyumbang kehilangan; satu katup besar telanjang dapat kehilangan panas sebanyak beberapa meter pipa berisolasi. Pemeriksaan dengan termometer inframerah memperlihatkan bagian mana yang paling panas di permukaan luarnya.

Stratifikasi suhu dan letak sensor

Air panas lebih ringan dari air dingin, sehingga di tangki yang tidak teraduk, air panas berkumpul di atas dan air dingin di bawah. Pada tangki yang dipanaskan koil di dasar, pengadukan alami oleh panas membantu mencampur, tetapi air dingin yang masuk di dasar saat pemakaian membentuk lapisan dingin lagi (nilai literatur umum).

Akibatnya bagi teknisi:

1. Sensor di atas membaca air terpanas dan mematikan pemanas terlalu cepat; air yang keluar dari dasar lebih dingin.
2. Sensor di bawah membaca air terdingin dan dapat membuat air di atas terlalu panas.
3. Letak yang umum adalah sekitar sepertiga tinggi dari dasar, atau dua sensor dengan logika yang jelas, menurut petunjuk pembuat.
4. Keluaran air panas biasanya diambil dari atas dan masukan air dingin di bawah, dengan peredam supaya air masuk tidak mengaduk seluruh tangki.

Untuk air panas gedung, stratifikasi juga berkaitan dengan pengendalian legionella, karena lapisan bawah yang hangat menjadi tempat bakteri tumbuh, seperti dibahas di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas.

Pengadukan: tujuan dan jenis pengaduk

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku prinsip desain teknik kimia bahwa sebagian besar operasi tumpak dilakukan dalam fasa cair di tangki berpengaduk, tentang susunan khas pengaduk dan sekat beserta pola alirannya, dan tentang jenis-jenis dasar impeler: turbin, turbin berbilah miring, dan baling-baling kapal. Tujuan pengadukan yang umum (nilai literatur umum):

1. Mencampur dua cairan atau melarutkan bahan, misalnya mengencerkan bahan kimia pekat.
2. Menjaga padatan melayang: narasi yang sama mengutip buku itu bahwa bubur yang disimpan harus diaduk terus supaya tidak mengendap.
3. Meratakan suhu dan menaikkan perpindahan panas ke koil atau mantel.
4. Mendispersikan gas, misalnya udara di bak aerasi.

Baling-baling dan turbin berbilah miring menghasilkan aliran sepanjang poros yang baik untuk mencampur dan menjaga padatan melayang dengan daya kecil. Turbin berbilah datar menghasilkan aliran ke samping dan geser yang kuat, berguna untuk mendispersikan, tetapi memerlukan daya lebih besar (nilai literatur umum).

Daya pengaduk dan waktu campur

Daya pengaduk pada aliran turbulen kira-kira (nilai literatur umum):

dengan $N_p$ bilangan daya yang bergantung pada jenis impeler dan sekat, $N$ putaran per detik, dan $D$ diameter impeler. Bilangan daya sekitar 5 untuk turbin berbilah datar dengan sekat dan sekitar 0,3 sampai 0,5 untuk baling-baling (nilai literatur umum). Karena daya sebanding pangkat tiga putaran dan pangkat lima diameter, menaikkan putaran dua kali menaikkan daya delapan kali. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku operasi satuan teknik kimia tentang pertanyaan apakah motor cukup untuk menggerakkan pengaduk pada putaran tertentu, pertanyaan yang dijawab dengan rumus ini.

Waktu campur dapat diperkirakan dari debit yang dipompa impeler, kira-kira $Q_p = N_Q N D^3$ dengan $N_Q$ sekitar 0,5 sampai 0,8, dan dari pengamatan bahwa campuran yang cukup merata biasanya memerlukan beberapa kali pergantian isi tangki (nilai literatur umum). Untuk bahan kimia yang diencerkan, waktu campur yang terlalu pendek membuat larutan yang diambil dari tangki tidak seragam kadarnya.

Pusaran, udara, dan busa

Pengaduk di tengah tangki bundar tanpa sekat memutar seluruh isi tangki seperti pusaran. Permukaan membentuk corong yang menyedot udara ke impeler, pencampuran justru buruk karena cairan hanya berputar, dan busa terbentuk pada cairan yang mengandung surfaktan (nilai literatur umum). Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku prinsip desain teknik kimia bahwa sekat biasanya dipakai di sebagian besar pemakaian, dan bahwa sebagian besar tangki berpengaduk tidak dirancang untuk bekerja terisi penuh. Cara mengatasi pusaran:

1. Sekat tegak di dinding, biasanya empat buah dengan lebar sekitar sepersepuluh sampai seperdua belas diameter tangki.
2. Pengaduk di luar sumbu atau miring, untuk tangki kecil tanpa sekat.
3. Kedalaman impeler yang cukup di bawah permukaan dan putaran yang tidak berlebihan.
4. Menuang bahan kimia ke dekat impeler atau di bawah permukaan, tidak di permukaan yang berputar, untuk produk yang mudah berbusa.

Udara yang tersedot pengaduk ke pipa isap pompa menimbulkan masalah seperti yang dibahas di Bab 6.

Contoh kerja

Contoh 1: energi pemanasan. Air 3 m³, yaitu sekitar 3.000 kg, dipanaskan dari 25 menjadi 60 °C. $Q = 3.000 \times 4{,}18 \times 35 = 438.900$ kJ, sekitar 122 kWh.

Contoh 2: pemanas listrik. Dengan pemanas celup 36 kW dan kehilangan panas yang diabaikan, waktu pemanasan sekitar $122/36 = 3{,}4$ jam. Untuk mencapai empat puluh menit, diperlukan sekitar 180 kW listrik, angka yang sering tidak tersedia di gedung.

Contoh 3: koil uap pada 4 bar ukur. Dengan $U A = 1.200 \times 2 = 2.400$ W/K (angka latihan) dan uap 152 °C, $t = (3.000 \times 4.180/2.400) \times \ln((152 - 25)/(152 - 60)) = 5.225 \times \ln(127/92) = 5.225 \times 0{,}322 = 1.683$ s, sekitar 28 menit.

Contoh 4: koil uap pada 1 bar ukur dan setengah terendam kondensat. Pada uap 120 °C, $\ln((120 - 25)/(120 - 60)) = \ln(95/60) = 0{,}460$, sehingga waktu menjadi $5.225 \times 0{,}460 = 2.400$ s atau 40 menit. Bila separuh koil terendam kondensat sehingga $U A$ kira-kira setengahnya, waktu menjadi sekitar 80 menit, dekat dengan sembilan puluh menit pada kasus pembuka.

Contoh 5: injeksi uap langsung. Air cuci 200 kg dipanaskan dari 25 menjadi 60 °C dengan uap berentalpi 2.740 kJ/kg. $m_s = 200 \times 4{,}18 \times 35/(2.740 - 4{,}18 \times 60) = 29.260/2.489 = 11{,}8$ kg uap, yang menambah sekitar 11,8 L air, sekitar 6 persen volume.

Contoh 6: kehilangan panas tangki. Tangki tanpa isolasi berluas 12 m² pada 60 °C di ruang 25 °C, dengan koefisien 10 W/m²K, kehilangan $10 \times 12 \times 35 = 4.200$ W. Selama 12 jam malam, $4{,}2 \times 12 = 50$ kWh, yang menurunkan suhu 3.000 kg air sekitar $180.000/(3.000 \times 4{,}18) = 14$ K. Dengan isolasi yang menurunkan koefisien menjadi 0,5 W/m²K, kehilangannya sekitar 0,21 kW atau 2,5 kWh semalam.

Contoh 7: daya pengaduk. Turbin berbilah datar berdiameter 0,3 m berputar 120 putaran per menit, yaitu 2 per detik, di tangki bersekat dengan $N_p = 5$. $P = 5 \times 1.000 \times 2^3 \times 0{,}3^5 = 5 \times 1.000 \times 8 \times 0{,}00243 = 97$ W. Pada 240 putaran per menit, daya menjadi sekitar 780 W, melebihi motor 0,37 kW.

Contoh 8: waktu campur. Untuk baling-baling 0,3 m pada 2 putaran per detik dengan $N_Q = 0{,}75$, $Q_p = 0{,}75 \times 2 \times 0{,}3^3 = 0{,}041$ m³/s. Isi tangki 3 m³ berganti sekali dalam sekitar $3/0{,}041 = 74$ detik, dan dengan sekitar lima kali pergantian, waktu campur sekitar enam menit.

Contoh 9: stratifikasi. Sensor di dekat permukaan membaca 60 °C, sedangkan termometer sementara di dasar membaca 35 °C. Bila keduanya mewakili separuh volume, suhu rata-rata sekitar 47,5 °C, dan energi yang masih kurang untuk membuat seluruh 3.000 kg menjadi 60 °C sekitar $3.000 \times 4{,}18 \times 12{,}5 = 156.750$ kJ, sekitar 44 kWh.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia atau pemilik bila:

1. Tangki akan dibuka, dimasuki, atau pengaduknya dibersihkan tanpa isolasi listrik, isolasi uap, dan pengosongan.
2. Pemanas listrik celup bekerja tanpa sakelar level rendah atau tanpa pengaman suhu lebih.
3. Injeksi uap langsung dipasang tanpa pencegah aliran balik ke pipa uap.
4. Tangki bahan kimia berbusa atau berasap saat dipanaskan atau diaduk, dan sifat bahan itu belum diketahui.
5. Tangki air panas gedung tidak mencapai suhu pengendalian legionella yang ditetapkan, sementara air tetap dipakai.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Panel menunjukkan 60 °C, jadi seluruh tangki 60 °C." Stratifikasi membuat suhu berbeda menurut ketinggian; letak sensor menentukan angka yang dibaca.
2. "Koil uap memanaskan dengan daya tetap." Daya koil turun ketika air mendekati suhu uap, dan sangat bergantung pada tekanan uap dan pembuangan kondensat.
3. "Injeksi uap tidak mengubah isi tangki." Uap yang mengembun menambah air dan dapat membawa bahan kimia boiler.
4. "Kehilangan panas tangki kecil, jadi isolasi tidak perlu." Kehilangan semalam dan akhir pekan dapat menurunkan suhu belasan derajat.
5. "Pengaduk yang lebih cepat mencampur lebih baik." Putaran berlebih menaikkan daya pangkat tiga, menimbulkan pusaran, udara, dan busa.
6. "Tangki bundar tidak perlu sekat." Tanpa sekat, cairan berputar bersama pengaduk dan pencampuran justru buruk.
7. "Elemen listrik boleh menyala sebentar walaupun tidak terendam." Elemen di udara rusak dalam waktu singkat dan dapat memicu kebakaran.

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 · Fisika memberi neraca energi, Bab 24 · Fisika perpindahan panas dan isolasi, Bab 3 · Utilitas sifat uap, Bab 5 · Utilitas perangkap uap, Bab 11 · Utilitas efisiensi energi, Bab 13 · Bangunan & Fasilitas air panas gedung, Bab 16 · Laundry panas di laundry, Bab 7 penukar panas, Bab 6 udara di jalur cairan, Bab 4 · Keselamatan isolasi energi non-listrik, Bab 6 · Keselamatan bahan kimia, dan Bab 16 · Kimia kerak. Bab berikutnya di rak ini membahas muai, penyangga, dan getaran pipa.

Latihan dan pembahasan

1. Berapa energi untuk memanaskan 1.500 kg air dari 28 menjadi 70 °C?
2. Dengan pemanas listrik 24 kW, berapa lama pemanasan itu bila kehilangan diabaikan?
3. Koil uap 2 bar ukur bersuhu jenuh sekitar 134 °C dengan $U A = 1.500$ W/K memanaskan 1.500 kg air dari 28 menjadi 70 °C. Berapa waktunya?
4. Berapa uap langsung berentalpi 2.740 kJ/kg untuk memanaskan 150 kg air dari 30 menjadi 75 °C?
5. Turbin berdiameter 0,25 m dengan $N_p = 5$ berputar 3 per detik di air. Berapa dayanya?
6. Mengapa sensor suhu tangki air panas tidak dipasang tepat di bawah permukaan?

Kunci jawaban beralasan

1. $Q = 1.500 \times 4{,}18 \times 42 = 263.340$ kJ, sekitar 73 kWh.
2. $73/24 = 3{,}0$ jam. Waktu sebenarnya sedikit lebih lama karena kehilangan panas tangki dan karena pengatur suhu biasanya memutus sebagian elemen menjelang suhu akhir.
3. $t = (1.500 \times 4.180/1.500) \times \ln((134 - 28)/(134 - 70)) = 4.180 \times \ln(106/64) = 4.180 \times 0{,}505 = 2.110$ s, sekitar 35 menit.
4. $m_s = 150 \times 4{,}18 \times 45/(2.740 - 4{,}18 \times 75) = 28.215/2.427 = 11{,}6$ kg uap.
5. $P = 5 \times 1.000 \times 27 \times 0{,}25^5 = 5 \times 1.000 \times 27 \times 0{,}000977 = 132$ W.
6. Air terpanas berkumpul di atas, sehingga sensor di sana mematikan pemanas sebelum air di bagian bawah, tempat air keluar ke pemakai atau tempat air dingin masuk, cukup panas. Sensor diletakkan menurut petunjuk pembuat, sering sekitar sepertiga tinggi dari dasar.

Referensi