Proyek integratif: neraca utilitas laundry rumah sakit, dari uap, kondensat, dan air umpan sampai udara tekan, listrik, dan bahan bakar

Sebuah rumah sakit 200 tempat tidur memindahkan laundry-nya ke gedung servis baru. Bab 18 · Bangunan & Fasilitas di rak Bangunan sudah menyiapkan ruangnya: air bersih, air panas, buangan, aliran balik, ventilasi, dan kebakaran untuk empat washer-extractor, tiga pengering, dan satu setrika gulung. Sebelum boiler, kompresor, dan genset dipesan, manajemen meminta satu lembar jawaban: berapa uap, bahan bakar, air umpan, udara tekan, dan listrik yang diperlukan, dan berapa kapasitas peralatan yang harus dibeli.

Pertanyaan itu tidak dapat dijawab dengan menjumlahkan angka pelat nama. Pelat nama menunjukkan kemampuan tertinggi setiap mesin, sedangkan pemakaian nyata ditentukan oleh linen yang diproses, program cuci, kelembapan linen, dan berapa banyak mesin bekerja bersamaan. Bab ini menyusun neraca dari kebutuhan proses ke peralatan utilitas, memakai bab-bab sebelumnya rak ini, sehingga setiap angka dapat dilacak asalnya.

Batas pembahasan

Bab ini adalah proyek latihan yang menggabungkan rak Utilitas dengan rak Laundry dan rak Bangunan. Semua data proyek adalah angka latihan; sifat uap dari tabel IAPWS-IF97 di bab sifat uap. Kebutuhan panas per siklus cuci dijelaskan di Bab 16 · Laundry, neraca utilitas umum di Bab 1, dan efisiensi serta penilaian proyek di bab efisiensi energi. Pemilihan akhir boiler, katup pengaman, kompresor, genset, dan kabel dilakukan perencana yang berwenang dengan data pabrik dan peraturan yang berlaku; bab ini menyiapkan angka dan pertanyaan untuk mereka, bukan keputusan akhirnya. Sumbernya adalah narasi Utilitas Industri, narasi Fluida dan Termal, materi pelatihan boiler laundry rumah sakit di Drive pemilik, dan bab-bab yang dirujuk.

Data proyek

Data diambil dari Bab 18 · Bangunan & Fasilitas dan ditambah data utilitas, semuanya angka latihan:

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit mencatat sekitar 2 bar untuk washer dan pengering dan sekitar 8 bar untuk setrika gulung. Neraca ini memakai satu header 8 bar dengan katup penurun tekanan ke pengguna bertekanan rendah, seperti susunan di bab distribusi uap.

Urutan kerja

1. Hitung kebutuhan panas setiap pengguna per hari dari prosesnya, bukan dari pelat nama.
2. Jumlahkan, tambahkan kehilangan distribusi, dan ubah menjadi laju uap rata-rata dan puncak.
3. Tentukan kapasitas boiler pada tekanan kerja dan suhu air umpan yang sebenarnya.
4. Susun neraca air umpan: kondensat yang dapat kembali, air pengganti, dan blowdown.
5. Hitung bahan bakar dan intensitas energi per kilogram linen, dengan dan tanpa pengembalian kondensat.
6. Susun kebutuhan udara tekan dan listrik.
7. Baca seluruh neraca sebagai satu sistem, catat kehilangan terbesar dan peluang perbaikannya.
8. Serahkan angka dan pertanyaan terbuka kepada perencana dan pihak berwenang.

Kebutuhan panas per pengguna

Air panas. Air panas $0{,}4 \times 12 = 4{,}8$ m³ per hari dipanaskan dari 28 ke 60 °C di tangki berpemanas uap: $4.800 \times 4{,}19 \times 32/3.600 = 179$ kWh per hari (Contoh 1).

Injeksi uap di washer. Setiap muatan memerlukan $200 \times 4{,}19 \times 25 \times 1{,}2 = 25.140$ kJ. Untuk 24 muatan: $25.140 \times 24/3.600 = 168$ kWh per hari. Bab 16 · Laundry menghitung kebutuhan seperti ini secara rinci per siklus.

Pengering. Linen ke pengering $0{,}6 \times 1.200 = 720$ kg dengan kelembapan sisa 50 persen, sehingga air yang diuapkan $720 \times 0{,}5 = 360$ kg per hari, dan energinya $360 \times 1{,}5 = 540$ kWh per hari.

Setrika gulung. Linen datar $0{,}4 \times 1.200 = 480$ kg dengan kelembapan sisa 45 persen: air diuapkan sekitar 216 kg, energinya sekitar 216 kWh per hari.

Catatan kadar air keluar setrika. Angka 216 kg menganggap linen keluar dari setrika benar-benar kering, sehingga menjadi batas atas. Manual setrika satu silinder memberi kadar air linen 2 sampai 4 persen lima menit sesudah setrika, dan Bab 29 · Laundry tentang setrika gulung dalam produksi menghitung neraca ini dengan angka itu: air yang diuapkan 196,8 sampai 206,4 kg, sekitar 197 sampai 206 kg per hari. Selisihnya 10 sampai 19 kg air, atau sekitar 10 sampai 19 kWh, kurang dari 2 persen kebutuhan 1.213 kWh, sehingga tabel di bawah tetap memakai 216 kWh sebagai pembulatan ke arah aman. Contoh 10 menunjukkan hitungannya.

Pengering adalah pengguna terbesar, dan kebutuhannya ditentukan langsung oleh air yang tertinggal di linen setelah pemerasan. Setiap persen kelembapan sisa yang dikurangi di washer-extractor mengurangi beban pengering dan setrika, seperti di bab efisiensi energi.

Neraca uap dan kapasitas boiler

Dengan kalor laten uap 8 bar sekitar 2.030 kJ/kg dari bab sifat uap, uap yang diperlukan:

$m = \frac{1.213 \times 3.600}{2.030} \approx 2.150 \text{ kg per hari}$

Selama 8 jam efektif, rata-ratanya sekitar 269 kg/jam. Pemakaian tidak rata: pengering, setrika, dan pengisian washer dapat terjadi bersamaan, dan pemanasan pagi hari menambah beban pipa dan peralatan dingin, seperti di bab distribusi uap. Dengan faktor puncak 2 (angka latihan), laju puncak sekitar 540 kg/jam.

Kapasitas boiler di pelat nama sering dinyatakan dari dan pada 100 °C, seperti di bab boiler. Boiler berkapasitas 1.000 kg/jam dari dan pada 100 °C menghasilkan sekitar 915 kg/jam uap 8 bar dari air umpan sekitar 73 °C (Contoh 4), sehingga cukup untuk puncak 540 kg/jam dengan cadangan untuk pertumbuhan, pemanasan pagi, dan penurunan kinerja. Pemilihan satu boiler besar atau dua boiler lebih kecil adalah keputusan keandalan: dua boiler memungkinkan satu dirawat tanpa menghentikan laundry, seperti dibahas di Bab 2.

Air umpan, kondensat, dan blowdown

Tidak semua uap kembali sebagai kondensat. Uap yang diinjeksikan langsung ke bak washer bercampur dengan air cuci dan ikut terbuang, sekitar $168 \times 3.600/2.030 = 297$ kg per hari. Sisanya, sekitar 1.853 kg per hari dari tangki air panas, pengering, dan setrika, dapat dikembalikan bila jalurnya dibuat. Bila 85 persen dari jumlah itu benar-benar kembali (angka latihan), kondensat yang kembali sekitar 1.575 kg per hari. Air umpan sama dengan uap ditambah blowdown, sehingga air pengganti adalah selisih uap dan kondensat, 575 kg per hari, ditambah blowdown sekitar 36 kg per hari, yaitu sekitar 611 kg per hari, dan air umpan sekitar 2.186 kg per hari.

Dengan kondensat 90 °C dan air pengganti 28 °C, suhu air umpan campuran sekitar:

$T_{\text{umpan}} = \frac{1.575 \times 90 + 611 \times 28}{2.186} \approx 73 \text{ °C}$

Kondensat juga menurunkan TDS air umpan. Dengan air pengganti ber-TDS 150 mg/L, kondensat 10 mg/L, dan TDS air boiler dijaga 3.000 mg/L, TDS air umpan sekitar 49 mg/L dan blowdown sekitar 36 kg per hari, dengan rumus di bab pengolahan air boiler; karena blowdown ikut menentukan air pengganti, hitungannya diulang sampai angkanya tidak berubah. Tanpa kondensat kembali, blowdown akan sekitar tiga kali lebih besar. Materi pelatihan boiler menggambarkan kondensat dialirkan ke pembuangan; neraca ini menunjukkan nilai yang hilang bila susunan itu dipertahankan.

Bahan bakar dan intensitas energi

Panas yang diserap uap di boiler adalah $m(h_g - h_{\text{umpan}})$. Dengan efisiensi boiler 85 persen dan elpiji bernilai kalor sekitar 46 MJ/kg (nilai literatur umum):

Pengembalian kondensat menghemat sekitar 10 kg elpiji per hari, ditambah sekitar 1,6 m³ air lunak dan bahan kimianya. Intensitas energi bahan bakar menjadi sekitar $1.732/1.200 = 1{,}44$ kWh per kg linen, dan intensitas air sekitar 10 L per kg linen. Angka ini dipakai sebagai angka dasar untuk memantau kinerja setelah laundry berjalan, seperti di bab efisiensi energi.

Udara tekan

Pemakai udara tekan di laundry ini adalah katup pneumatik washer, silinder dan pengumpan setrika gulung, pelipat, dan pistol pembersih. Dari data pabrik, kebutuhan rata-rata sekitar 0,4 m³/menit udara bebas pada 6 bar di mesin terjauh, ditambah kebocoran yang diharapkan sekitar 0,1 m³/menit setelah sistem baru (angka latihan). Satu kompresor sekrup 1,2 m³/menit memberi cadangan untuk puncak, dengan tangki penerima yang dihitung seperti di bab udara tekan. Dengan daya spesifik 8,3 kW per m³/menit, energinya sekitar $0{,}5 \times 8{,}3 \times 10 = 42$ kWh per hari untuk 10 jam kerja termasuk persiapan. Pengering pendinginan dipilih karena pipa udara tidak melewati ruang dingin, dan pembuang kondensat berbasis level dipilih untuk menghindari pemborosan dari pembuang berpewaktu, seperti di bab kebocoran udara tekan.

Listrik dan daya cadangan

Kebutuhan listrik harian disusun dari data pabrik dan jam kerja (angka latihan):

Intensitas listriknya sekitar $300/1.200 = 0{,}25$ kWh per kg linen. Beban puncak yang penting untuk genset dan panel bukan jumlah harian, melainkan beban yang dapat bekerja bersamaan, termasuk arus asut motor; bila beban puncak bersamaan sekitar 60 kW, genset berukuran sekitar $60/0{,}8 = 75$ kVA pada faktor daya 0,8 sebelum cadangan asut, dan ukuran akhirnya ditentukan perencana listrik seperti di rak Kelistrikan. Materi pelatihan boiler dan genset memakai perkiraan kasar konsumsi solar 0,21 L per kVA per jam; angka itu mendekati pemakaian pada beban penuh, sehingga untuk genset yang lebih sering bekerja pada beban sebagian, pemakaian per jamnya lebih kecil tetapi pemakaian per kWh lebih besar. Boiler juga memerlukan listrik untuk pompa, blower, dan pengendalinya, sehingga genset harus melayani boiler bila laundry harus tetap bekerja saat listrik padam.

Membaca neraca sebagai satu sistem

Neraca yang lengkap menunjukkan hubungan yang tidak terlihat dari satu peralatan saja:

1. Pemerasan menentukan bahan bakar. Pengering dan setrika memakai sekitar 69 persen panas berguna. Washer-extractor dengan pemerasan lebih kering mengurangi beban itu lebih murah daripada boiler yang lebih efisien.
2. Kondensat menentukan air umpan, blowdown, dan bahan bakar sekaligus, seperti terlihat pada perbandingan air umpan 28 dan 73 °C.
3. Puncak menentukan kapasitas, rata-rata menentukan biaya. Boiler dan kompresor dipilih untuk puncak dengan cadangan; biaya bahan bakar dan listrik ditentukan oleh rata-rata.
4. Listrik dan bahan bakar saling bergantung. Boiler tidak bekerja tanpa listrik, dan kompresor tidak bekerja tanpa listrik, sehingga daya cadangan menentukan apakah laundry dapat bekerja saat listrik padam.
5. Selisih neraca adalah petunjuk. Setelah laundry berjalan, bahan bakar, air umpan, dan listrik yang lebih besar daripada neraca ini menunjukkan kehilangan yang dicari dengan cara di bab-bab sebelumnya: perangkap yang bocor, kondensat yang tidak kembali, kebocoran udara, atau pengering yang berjalan terlalu lama. Buku perancangan teknik kimia dalam narasi mencatat bahwa aliran pengganti mengimbangi kehilangan penguapan, blowdown, dan kehilangan lain dari sistem, sehingga air pengganti yang naik adalah tanda pertama kehilangan.

Keputusan yang diserahkan kepada perencana dan pihak berwenang

Neraca ini menghasilkan daftar pertanyaan untuk perencana dan pihak berwenang:

1. Jenis, jumlah, kapasitas, dan tekanan rancang boiler, beserta izin pemakaian dan operatornya menurut peraturan uap, seperti di bab boiler.
2. Ukuran header, pipa distribusi, stasiun penurun tekanan, perangkap, dan jalur kondensat kembali.
3. Program pengolahan air umpan dan boiler, dan alat kendali blowdown.
4. Kompresor, tangki penerima sebagai bejana tekan, pengering, dan jaringan udara.
5. Ukuran genset, sakelar pemindah, dan pembagian beban yang harus tetap hidup saat listrik padam.
6. Letak ruang boiler, cerobong, ventilasi, dan jarak dari bahan mudah terbakar, terkait proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas.
7. Meter yang dipasang sejak awal: bahan bakar, air pengganti, air umpan, kondensat kembali, listrik per kelompok, dan udara tekan.

Contoh kerja

Contoh 1. Air panas. $4.800 \times 4{,}19 \times (60 - 28)/3.600 = 179$ kWh per hari.

Contoh 2. Laju uap harian. Kebutuhan 1.213 kWh per hari dibagi kalor laten 2.030 kJ/kg: $1.213 \times 3.600/2.030 = 2.150$ kg uap per hari, sekitar 269 kg/jam dalam 8 jam.

Contoh 3. Uap yang tidak kembali. Injeksi uap 168 kWh per hari setara $168 \times 3.600/2.030 = 297$ kg uap yang ikut terbuang bersama air cuci, sekitar 14 persen uap harian.

Contoh 4. Kapasitas boiler. Boiler berkapasitas 1.000 kg/jam dari dan pada 100 °C ($h_{fg} = 2.256$ kJ/kg) menghasilkan uap 8 bar ($h_g = 2.773$ kJ/kg) dari air umpan 73 °C ($h \approx 307$ kJ/kg) sebanyak $1.000 \times 2.256/(2.773 - 307) = 915$ kg/jam.

Contoh 5. Suhu air umpan. Kondensat 1.575 kg per hari pada 90 °C bercampur dengan air pengganti 611 kg per hari pada 28 °C: $(1.575 \times 90 + 611 \times 28)/2.186 \approx 73$ °C.

Contoh 6. Blowdown. TDS air umpan $(611 \times 150 + 1.575 \times 10)/2.186 \approx 49$ mg/L. Blowdown $2.150 \times 49/(3.000 - 49) \approx 36$ kg per hari, bila TDS air boiler dijaga 3.000 mg/L. Air pengganti $2.150 + 36 - 1.575 = 611$ kg per hari, sama dengan Contoh 5; angka ini didapat dengan mengulang hitungan dari 575 kg sampai tidak berubah lagi.

Contoh 7. Bahan bakar tanpa kondensat kembali. Panas yang diserap uap $2.150 \times (2.773 - 118)/3.600 = 1.586$ kWh per hari; bahan bakar $1.586/0{,}85 = 1.866$ kWh, yaitu sekitar $1.866 \times 3.600/46.000 = 146$ kg elpiji per hari.

Contoh 8. Nilai tahunan kondensat kembali. Selisih sekitar 10 kg elpiji per hari selama 300 hari, pada Rp15.000/kg (angka latihan), sekitar $10 \times 300 \times 15.000 = 45.000.000$ rupiah per tahun, ditambah sekitar $1{,}6 \times 300 = 480$ m³ air lunak setahun.

Contoh 9. Genset. Beban puncak bersamaan 60 kW pada faktor daya 0,8 memerlukan sekitar 75 kVA sebelum cadangan arus asut. Dengan aturan kasar 0,21 L per kVA per jam dari materi pelatihan, genset 75 kVA pada beban penuh memakai sekitar $0{,}21 \times 75 = 15{,}8$ L solar per jam; pada beban sebagian pemakaiannya lebih kecil per jam.

Contoh 10. Air setrika bila linen keluar 2 sampai 4 persen. Linen datar 480 kg masuk setrika pada 45 persen. Bila keluar kering, airnya $0{,}45 \times 480 = 216$ kg. Bila keluar 4 persen, $(0{,}45 - 0{,}04) \times 480 = 196{,}8$ kg, dan bila keluar 2 persen, $(0{,}45 - 0{,}02) \times 480 = 206{,}4$ kg. Dengan 1,0 kWh per kg air, jumlah panas berguna menjadi sekitar 1.083 sampai 1.093 kWh per hari, kebutuhan dengan kehilangan distribusi 1.192 sampai 1.202 kWh, dan uap sekitar 2.113 sampai 2.132 kg per hari, sedikit di bawah 2.150 kg. Laju puncak dengan faktor 2 menjadi sekitar 528 sampai 533 kg/jam, sehingga pilihan boiler di bab ini tidak berubah.

Kondisi berhenti

Hentikan proyek atau tandai sebagai belum siap bila:

1. Data proses, seperti linen per hari, program cuci, dan kelembapan sisa setelah pemerasan, belum diukur atau masih tebakan yang tidak ditandai.
2. Kapasitas boiler dipilih dari jumlah pelat nama tanpa neraca, atau tanpa memperhitungkan suhu air umpan dan tekanan kerja.
3. Boiler, bejana tekan, atau katup pengaman akan dipesan tanpa perencana dan tanpa memeriksa persyaratan izin.
4. Jalur kondensat kembali dirancang tanpa pemantauan pencemaran kondensat.
5. Genset tidak dirancang untuk melayani beban yang harus tetap bekerja, termasuk pompa dan blower boiler, padahal laundry harus tetap bekerja saat listrik padam.
6. Meter utama tidak direncanakan, sehingga neraca tidak dapat diperiksa setelah laundry berjalan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Kapasitas boiler sama dengan jumlah kebutuhan pelat nama semua mesin." Mesin tidak bekerja penuh bersamaan; kapasitas dipilih dari neraca dan faktor puncak.

"Semua uap kembali sebagai kondensat." Uap yang diinjeksikan langsung ke bak washer ikut terbuang bersama air cuci.

"Boiler adalah pemakai energi." Boiler mengubah bahan bakar menjadi uap; pemakai energinya adalah pengering, setrika, washer, dan air panas.

"Biaya listrik laundry kecil dibanding bahan bakar, jadi listrik tidak perlu dihitung." Boiler dan kompresor tidak bekerja tanpa listrik, dan daya cadangan bergantung pada beban listrik itu.

"Neraca hanya dibuat sekali sebelum membeli." Neraca menjadi angka dasar untuk memantau kehilangan setelah laundry berjalan.

"Angka 0,21 L per kVA per jam berlaku untuk semua beban." Angka itu perkiraan kasar untuk beban penuh.

Hubungan dengan bab lain

Bab 18 · Bangunan & Fasilitas menyiapkan ruang laundry yang sama, bab sifat uap memberi tabel uap, Bab 16 · Laundry kebutuhan panas per siklus, Bab 1 neraca utilitas, bab efisiensi energi penilaian penghematan, bab distribusi uap, boiler, dan pengolahan air boiler sisi uap, Bab 2 keandalan, bab udara tekan dan bab kebocoran udara tekan sisi udara, dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas proteksi kebakaran.

Bab 29 · Laundry membahas setrika gulung dalam produksi: kadar air linen masuk dan keluar menurut manual, kapasitas penguapan, dan energi per kilogram air. Rasio daya pemanas terhadap kapasitas penguapan pada manual-manual di bab itu, 0,86 sampai 1,11 kWh per kg air, mengapit angka sekitar 1,0 kWh per kg yang dipakai neraca ini.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Bila kelembapan sisa linen ke pengering turun dari 50 menjadi 45 persen, berapa kWh per hari yang dihemat pengering?
2. Berapa uap per hari yang diperlukan untuk kebutuhan 1.000 kWh dengan kalor laten 2.030 kJ/kg?
3. Kondensat 1.200 kg per hari pada 85 °C bercampur dengan air pengganti 800 kg per hari pada 28 °C. Berapa suhu air umpan?
4. Mengapa uap injeksi langsung tidak dihitung sebagai kondensat kembali?
5. Mengapa boiler dipilih untuk laju puncak, tetapi biaya bahan bakar dihitung dari rata-rata?
6. Mengapa meter utama direncanakan sejak awal proyek?

Kunci jawaban beralasan

1. Air yang diuapkan turun $720 \times 0{,}05 = 36$ kg per hari, sehingga hemat $36 \times 1{,}5 = 54$ kWh per hari.
2. $1.000 \times 3.600/2.030 = 1.773$ kg uap per hari bila kondensat keluar sebagai air jenuh.
3. $(1.200 \times 85 + 800 \times 28)/2.000 = 62$ °C, sedikit di bawah contoh bab karena kondensat lebih sedikit.
4. Uap itu bercampur dengan air cuci di bak washer dan ikut terbuang ke saluran bersama air cuci.
5. Boiler harus memenuhi kebutuhan sesaat tertinggi, sedangkan biaya ditentukan oleh jumlah uap selama setahun.
6. Tanpa meter, neraca tidak dapat dibandingkan dengan pemakaian nyata dan kehilangan baru tidak terlihat.

Referensi