Sifat uap dan tabel uap: tekanan ukur dan mutlak, suhu jenuh, entalpi, kualitas uap, uap superpanas, dan uap kilat

Linen keluar dari setrika gulung sebuah laundry rumah sakit masih lembap, dan operator harus memperlambat setrika sampai produksinya turun sekitar seperlima. Panel boiler menunjukkan 8 bar, sesuai setelan. Manometer di saluran masuk setrika hanya menunjukkan 5,5 bar. Teknisi yang memeriksa menganggap selisih itu tidak penting: uap tetaplah uap, dan selama masih ada tekanan, panasnya sama.

Tabel uap menunjukkan sebaliknya. Pada tekanan ukur 8 bar, uap jenuh bersuhu sekitar 175 °C; pada 5,5 bar, sekitar 162 °C. Selisih 13 °C itu mengurangi beda suhu antara silinder setrika dan linen basah, sehingga linen yang sama memerlukan waktu lebih lama untuk kering. Penyebab turunnya tekanan, yaitu pipa yang terlalu kecil dan katup yang setengah tertutup, dicari di bab distribusi uap. Bab ini memberi bekal untuk membaca angka-angka uap dengan benar, karena tanpa itu teknisi tidak tahu apakah sebuah pembacaan normal atau tidak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas uap air jenuh dan sedikit superpanas yang dipakai di laundry, dapur, dan gedung: washer-extractor dengan pemanas uap, pengering, setrika gulung, mesin pencuci piring dengan pemanas uap, dan penukar panas air panas. Dasar termodinamika perubahan fase dan kalor laten ada di Fisika 183, hukum pertama untuk aliran tunak dan pencekikan di Fisika 196, dan kebutuhan panas per siklus cuci di Bab 16 · Laundry. Boiler, distribusi uap, perangkap uap, dan pengolahan air boiler dibahas di bab-bab berikutnya rak ini. Keselamatan uap, luka bakar, dan uap kilat dari sisi bahaya ada di bab panas dan uap. Sumbernya adalah narasi Utilitas Industri, narasi Fluida dan Termal, materi pelatihan boiler laundry rumah sakit di Drive pemilik, dan tabel uap baku yang dihitung dengan formulasi IAPWS-IF97. Angka tabel di bab ini dibulatkan untuk dibaca; perhitungan teliti memakai tabel lengkap.

Uap sebagai pembawa panas

Buku katup dan perpipaan dalam narasi menyebut uap sebagai air dalam fase uap dan salah satu alat industri yang paling tua. Uap dipakai karena membawa banyak energi per kilogram, melepaskannya pada suhu yang hampir tetap ketika mengembun, dan mengalir sendiri dari boiler ke peralatan karena perbedaan tekanan, tanpa pompa.

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit menjelaskan dua jenis kalor dengan contoh air pada tekanan atmosfer. Memanaskan 1 kg air dari 0 sampai 100 °C memerlukan sekitar 419 kJ. Ini kalor sensibel, karena mengubah suhu tanpa mengubah fase. Mengubah 1 kg air mendidih menjadi uap pada 100 °C memerlukan sekitar 2.257 kJ, lebih dari lima kali lipat, tanpa menaikkan suhu. Ini kalor laten. Ketika uap mengembun di dalam pemanas, kalor laten itu dilepaskan kembali ke peralatan. Karena itulah uap yang mengembun pada dinding silinder setrika memberi panas yang besar pada suhu yang tetap.

Tekanan ukur dan tekanan mutlak

Manometer di boiler dan peralatan menunjukkan tekanan ukur, yaitu tekanan di atas tekanan atmosfer, seperti dijelaskan di Fisika 182. Tabel uap memakai tekanan mutlak:

$p_{\text{mutlak}} = p_{\text{ukur}} + p_{\text{atm}}$

dengan tekanan atmosfer baku sekitar 1,013 bar. Manometer yang menunjukkan 2 bar berarti tekanan mutlak sekitar 3,01 bar. Kesalahan membaca tabel dengan tekanan ukur memberi suhu jenuh yang terlalu rendah, misalnya 120 °C alih-alih 134 °C pada contoh ini (Contoh 1). Di bab ini, tekanan yang ditulis "bar" tanpa keterangan adalah tekanan ukur, sesuai yang dibaca teknisi di lapangan; tekanan mutlak ditulis "bar mutlak".

Suhu jenuh dan tabel uap

Air dan uap yang berada bersama dalam satu ruang tertutup berada pada suhu jenuh, dan suhu jenuh ditentukan oleh tekanan. Menaikkan tekanan menaikkan suhu didih. Inilah cara boiler mencapai suhu di atas 100 °C: tekanan dinaikkan, sehingga air mendidih pada suhu yang lebih tinggi.

Buku termodinamika dalam narasi mencatat bahwa tabel uap memberi sifat cairan jenuh dan uap jenuh, dan contoh di buku lain menunjukkan cara membacanya, misalnya suhu jenuh pada 2 MPa mutlak sekitar 212 °C. Tabel ringkas di bawah dihitung dengan formulasi IAPWS-IF97 untuk tekanan ukur yang lazim di laundry:

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit mencatat tekanan sekitar 2 bar untuk washer dan pengering dan sekitar 8 bar untuk setrika gulung, dengan suhu sekitar 133 dan 175 °C. Angka itu sesuai dengan baris 2 dan 8 bar pada tabel.

Entalpi air dan uap

Tiga kolom entalpi pada tabel dibaca sebagai berikut, dengan acuan air cair pada 0,01 °C:

1. $h_f$: entalpi air jenuh, yaitu kalor sensibel untuk memanaskan air sampai suhu jenuh.
2. $h_{fg}$: kalor laten penguapan pada tekanan itu.
3. $h_g = h_f + h_{fg}$: entalpi uap jenuh kering.

Ketika uap jenuh kering mengembun menjadi air jenuh pada tekanan yang sama, panas yang dilepaskan ke peralatan adalah $h_{fg}$. Tabel menunjukkan hal yang sering mengejutkan: semakin tinggi tekanan, semakin kecil kalor laten per kilogram, walaupun suhunya lebih tinggi. Uap 8 bar melepaskan sekitar 2.030 kJ/kg saat mengembun, sedangkan uap 2 bar sekitar 2.163 kJ/kg. Tekanan tinggi dipilih karena suhu tinggi diperlukan, misalnya untuk setrika, bukan karena membawa lebih banyak panas per kilogram.

Buku katup dan perpipaan dalam narasi memakai angka bulat 500 kcal/kg sebagai kalor laten uap untuk tekanan menengah, yaitu sekitar 2.093 kJ/kg. Angka itu berada di antara nilai tabel untuk 4 dan 5 bar, cukup untuk perkiraan cepat, tetapi tabel dipakai untuk perhitungan yang dicatat.

Volume jenis dan ukuran pipa

Kolom $v_g$ adalah volume satu kilogram uap jenuh. Uap bertekanan rendah memakan ruang jauh lebih besar: 1 kg uap pada 0 bar mengisi sekitar 1,67 m³, sedangkan pada 8 bar hanya sekitar 0,21 m³. Untuk massa uap yang sama, pipa uap bertekanan rendah harus lebih besar agar kecepatannya tidak terlalu tinggi (Contoh 6). Inilah alasan uap sering didistribusikan pada tekanan tinggi lalu diturunkan di dekat peralatan: pipa distribusi menjadi lebih kecil dan kehilangan panasnya lebih sedikit.

Debit volume dan kecepatan uap dihitung dengan

$Q = \dot{m}\, v_g, \qquad u = \frac{Q}{A}$

Kecepatan uap jenuh di pipa distribusi sering dibatasi sekitar 25 sampai 35 m/s (nilai literatur umum); di atas itu kebisingan, erosi, dan rugi tekan naik. Ukuran pipa dan rugi tekannya dibahas di bab distribusi uap.

Kualitas uap dan uap basah

Uap yang keluar dari boiler sering membawa butiran air. Kualitas uap $x$ adalah fraksi massa uap dalam campuran; uap jenuh kering mempunyai $x = 1$, dan uap dengan $x = 0{,}95$ berisi 5 persen massa air. Entalpi uap basah:

$h = h_f + x\, h_{fg}$

Air yang terbawa tidak membawa kalor laten, sehingga uap basah memberi panas lebih sedikit per kilogram (Contoh 5). Akibat lain uap basah:

1. Lapisan air pada permukaan pemanas menghambat perpindahan panas.
2. Erosi pada katup, dudukan katup, dan belokan pipa oleh butiran air yang bergerak cepat.
3. Palu air bila air terkumpul dan didorong uap, seperti di bab distribusi uap.
4. Kotoran boiler terbawa bersama air ke peralatan, seperti busa dan garam terlarut, yang dibahas di bab pengolahan air boiler.

Uap basah dikurangi dengan menjaga level air boiler dan mutu air, memakai pemisah uap di pipa utama, membuang kondensat di titik rendah, dan mengisolasi pipa.

Uap superpanas

Uap yang dipanaskan di atas suhu jenuhnya pada tekanan yang sama disebut uap superpanas. Uap superpanas tidak mengembun sampai suhunya turun kembali ke suhu jenuh, sehingga melepaskan panas sensibel lebih dulu dengan koefisien perpindahan panas yang jauh lebih kecil daripada uap yang mengembun. Untuk pemanasan proses di laundry dan dapur, uap jenuh kering atau sedikit superpanas lebih disukai; uap superpanas tinggi dipakai di pembangkit listrik dan turbin, bukan di peralatan laundry.

Sifat uap superpanas dibaca dari tabel uap superpanas, yang memberi entalpi dan volume pada pasangan tekanan dan suhu. Teknisi laundry jarang memerlukannya, kecuali untuk memahami uap setelah katup penurun tekanan.

Pencekikan di katup penurun tekanan

Katup penurun tekanan dan katup yang setengah terbuka mencekik uap: tekanan turun tanpa kerja dan hampir tanpa kehilangan panas. Buku termodinamika dalam narasi mencatat bahwa entalpi di masuk dan keluar katup pencekik sama. Akibatnya, uap jenuh kering yang dicekik ke tekanan lebih rendah menjadi sedikit superpanas, karena entalpinya lebih besar daripada $h_g$ pada tekanan rendah (Contoh 9). Uap basah yang dicekik menjadi lebih kering. Karena alasan ini, katup penurun tekanan di dekat peralatan juga membantu mengeringkan uap.

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit menggambarkan sistem pemipaan dengan header uap dan set katup penurun tekanan sebelum peralatan. Pada kasus pembuka, tekanan 5,5 bar di setrika tidak berasal dari katup penurun tekanan yang disetel, melainkan dari rugi tekan pipa dan katup yang tidak terbuka penuh; hasilnya sama, yaitu suhu jenuh yang lebih rendah di setrika.

Uap kilat dari kondensat

Kondensat yang keluar dari peralatan berada pada suhu jenuh tekanan peralatan. Bila kondensat itu dilepaskan ke tekanan lebih rendah, misalnya ke saluran kondensat bertekanan atmosfer, sebagian langsung menguap menjadi uap kilat. Fraksinya dihitung dari neraca energi:

$f = \frac{h_{f,1} - h_{f,2}}{h_{fg,2}}$

dengan indeks 1 untuk tekanan tinggi dan 2 untuk tekanan rendah. Kondensat dari setrika 8 bar yang dilepas ke tekanan atmosfer menghasilkan uap kilat sekitar 14 persen massanya (Contoh 7). Volumenya sangat besar karena terjadi pada tekanan rendah, sehingga pipa kondensat setelah perangkap berisi campuran air dan uap, bukan air saja. Buku katup dan perpipaan dalam narasi, ketika menghitung ukuran pipa untuk uap kilat, menganggap kecepatan uap kilat sekitar 15 m/s. Uap kilat juga menjadi sumber energi yang dapat dipakai ulang di bab efisiensi energi, dan sumber luka bakar di bab panas dan uap.

Kebutuhan uap peralatan

Massa uap yang diperlukan peralatan dihitung dari panas yang diperlukan dan kalor laten pada tekanan kerjanya, bila kondensat keluar sebagai air jenuh:

$\dot{m} = \frac{\dot{Q}}{h_{fg}}$

Panas yang diperlukan untuk satu siklus cuci, termasuk air, linen, dan logam drum, dihitung di Bab 16 · Laundry. Bab 1 memakai kebutuhan uap seperti ini dalam neraca utilitas. Nilai $\dot{Q}$ peralatan dapat diambil dari pelat nama, data pabrik, atau pengukuran. Dua hal sering dilupakan: panas untuk memanaskan peralatan dan pipa dingin saat mulai pagi hari, yang dapat jauh lebih besar daripada beban tunak, dan kehilangan panas dari pipa yang tidak diisolasi.

Udara dan gas tak terkondensasi di dalam uap

Pipa dan peralatan yang dingin terisi udara. Ketika uap masuk, udara terdorong ke ujung pipa dan ke dalam peralatan, dan bila tidak dibuang, udara bercampur dengan uap. Menurut hukum tekanan parsial di Fisika 191, tekanan total adalah jumlah tekanan uap dan tekanan udara. Manometer menunjukkan tekanan total, tetapi suhu ditentukan oleh tekanan parsial uap, sehingga campuran uap dan udara lebih dingin daripada suhu jenuh yang dibaca dari manometer (Contoh 8). Udara juga membentuk lapisan penghambat di permukaan pemanas.

Karena itu sistem uap memasang ven udara di ujung pipa utama dan di peralatan besar. Buku katup dan perpipaan dalam narasi mencatat bahwa ven udara jenis tekanan seimbang adalah jenis yang paling banyak diterima. Ven udara yang tersumbat atau dilepas adalah salah satu penyebab peralatan lambat panas setelah dinyalakan pagi hari.

Contoh kerja

Contoh 1. Tekanan mutlak. Manometer menunjukkan 2 bar. Tekanan mutlak $2 + 1{,}013 = 3{,}01$ bar, dan suhu jenuh dari tabel 133,7 °C. Bila tabel dibaca pada 2 bar mutlak, hasilnya 120,2 °C, salah sekitar 13,5 °C.

Contoh 2. Setrika gulung pada kasus pembuka. Pada 8 bar suhu jenuh 175,4 °C; pada 5,5 bar (6,51 bar mutlak) dari tabel lengkap sekitar 162,1 °C. Bila permukaan linen yang menguap berada sekitar 100 °C, beda suhu turun dari sekitar 75 menjadi 62 °C, yaitu sekitar 17 persen, sehingga laju pengeringan turun dalam perbandingan yang kurang lebih sama.

Contoh 3. Kalor sensibel dan laten. Air umpan 25 °C ($h \approx 105$ kJ/kg) diubah menjadi uap jenuh kering 2 bar. Kalor sensibel $562 - 105 = 457$ kJ/kg, kalor laten 2.163 kJ/kg, jumlah sekitar 2.620 kJ/kg. Lebih dari 80 persen energinya adalah kalor laten.

Contoh 4. Laju uap pengering. Kumparan pemanas pengering memerlukan 120 kW pada 7 bar (angka latihan). Laju uap $\dot{m} = 120/2.047 = 0{,}0586$ kg/s, sekitar 211 kg/jam.

Contoh 5. Uap basah. Uap pada Contoh 4 mempunyai kualitas 0,95. Setiap kilogram hanya melepaskan $0{,}95 \times 2.047 = 1.945$ kJ, kurang sekitar 102 kJ/kg. Laju uap yang diperlukan naik menjadi $120/1.945 \times 3.600 = 222$ kg/jam, dan air yang terbawa juga harus dibuang oleh perangkap.

Contoh 6. Ukuran pipa dan tekanan. Uap 211 kg/jam pada 7 bar ($v_g = 0{,}240$ m³/kg) bervolume sekitar 50,6 m³/jam, yaitu 0,0141 m³/s. Pada kecepatan 25 m/s, luas pipa $0{,}0141/25 = 5{,}6 \times 10^{-4}$ m², diameter dalam sekitar 27 mm. Untuk panas yang sama pada 2 bar diperlukan sekitar 200 kg/jam dengan volume sekitar 120 m³/jam, sehingga diameter dalam sekitar 41 mm.

Contoh 7. Uap kilat. Kondensat dari setrika 8 bar ($h_f = 743$ kJ/kg) dilepas ke tekanan atmosfer ($h_f = 419$ kJ/kg, $h_{fg} = 2.257$ kJ/kg). Fraksi uap kilat $(743 - 419)/2.257 = 0{,}144$, yaitu 14,4 persen. Setiap kilogram kondensat menghasilkan sekitar $0{,}144 \times 1{,}673 = 0{,}24$ m³ uap kilat.

Contoh 8. Udara di dalam uap. Manometer menunjukkan 2 bar (3,01 bar mutlak), tetapi uap berisi udara 10 persen volume. Tekanan parsial uap $0{,}9 \times 3{,}01 = 2{,}71$ bar mutlak, dan suhu jenuhnya dari tabel lengkap sekitar 130,1 °C, sekitar 3,6 °C lebih rendah daripada yang diharapkan dari manometer.

Contoh 9. Uap setelah katup penurun tekanan. Uap jenuh kering 8 bar ($h_g = 2.773$ kJ/kg) diturunkan ke 2 bar. Entalpi tetap 2.773 kJ/kg, lebih besar daripada $h_g = 2.725$ kJ/kg pada 2 bar, sehingga uap menjadi superpanas. Dari tabel uap superpanas, suhunya sekitar 156 °C, sekitar 22 °C di atas suhu jenuh 133,7 °C. Superpanas sekecil ini cepat hilang di pipa dan tidak mengganggu peralatan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan bila:

1. Tekanan di peralatan melewati tekanan kerja yang tertera pada pelat nama atau setelan katup pengaman; ikuti bab boiler dan Bab 1 · Keselamatan.
2. Pipa atau peralatan akan dibuka sementara masih ada tekanan uap atau kondensat panas; isolasi dan buktikan nol seperti di bab panas dan uap.
3. Uap kilat atau kebocoran uap keluar di tempat orang bekerja.
4. Pipa uap bergetar atau berbunyi keras seperti dipukul; palu air dapat memecahkan pipa dan katup, seperti di bab distribusi uap.
5. Manometer tidak menunjukkan nol ketika sistem seharusnya tanpa tekanan, atau manometer rusak; tekanan tidak dianggap nol tanpa bukti lain.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Uap tetap uap, berapa pun tekanannya." Suhu jenuh ditentukan oleh tekanan; uap 5,5 bar lebih dingin 13 °C daripada uap 8 bar.

"Tabel uap dibaca dengan angka manometer." Tabel memakai tekanan mutlak; tambahkan tekanan atmosfer.

"Uap tekanan tinggi membawa lebih banyak panas per kilogram." Kalor laten per kilogram justru lebih kecil pada tekanan tinggi; yang lebih tinggi adalah suhunya.

"Air di dalam uap tidak masalah, toh sama-sama panas." Air tidak membawa kalor laten dan menghambat perpindahan panas.

"Manometer menunjukkan tekanan, jadi suhu pasti sesuai tabel." Udara di dalam uap menurunkan suhu walaupun tekanan total sama.

"Uap yang keluar dari saluran kondensat berarti perangkap bocor." Sebagian besar biasanya uap kilat; cara membedakannya dibahas di bab distribusi uap.

Hubungan dengan bab lain

Fisika 182 menjelaskan tekanan ukur, Fisika 183 kalor laten, Fisika 191 tekanan parsial, Fisika 196 pencekikan dan aliran tunak, Bab 16 · Laundry kebutuhan panas per siklus, Bab 1 neraca utilitas, bab panas dan uap keselamatan uap, dan bab boiler serta bab distribusi uap kelanjutannya di rak ini. Bab 1 · Keselamatan memberi kondisi berhenti.

Latihan dan pembahasan

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

1. Manometer menunjukkan 4 bar. Berapa tekanan mutlak dan suhu jenuhnya?
2. Penukar panas air panas memerlukan 60 kW dari uap 2 bar. Berapa laju uapnya dalam kg/jam?
3. Kondensat 2 bar dilepas ke tekanan atmosfer. Berapa fraksi uap kilatnya?
4. Mengapa tabel uap tidak boleh dibaca langsung dengan angka manometer?
5. Mengapa uap basah memanaskan lebih lambat daripada uap kering pada tekanan yang sama?
6. Mengapa ven udara dipasang di ujung pipa uap utama?

Kunci jawaban beralasan

1. Tekanan mutlak $4 + 1{,}013 = 5{,}01$ bar, dan suhu jenuh dari tabel 151,9 °C.
2. $\dot{m} = 60/2.163 = 0{,}0277$ kg/s, yaitu sekitar 100 kg/jam bila kondensat keluar sebagai air jenuh.
3. $(562 - 419)/2.257 = 0{,}063$, yaitu sekitar 6,3 persen massa kondensat menjadi uap kilat.
4. Tabel memakai tekanan mutlak, sedangkan manometer membaca di atas atmosfer; tanpa penambahan, suhu jenuh terbaca terlalu rendah.
5. Air yang terbawa tidak melepaskan kalor laten dan membentuk lapisan yang menghambat perpindahan panas di permukaan pemanas.
6. Udara terdorong ke ujung pipa; bila tidak dibuang, tekanan parsial uap turun dan suhu campuran lebih rendah daripada suhu jenuh.

Referensi