Distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat: ukuran pipa, kantong kondensat, jenis dan uji perangkap, palu air, isolasi, dan pengembalian kondensat

Setiap pagi, ketika operator membuka katup uap utama ke ruang setrika, pipa uap berbunyi keras seperti dipukul palu beberapa kali, lalu diam. Dua pengering di ujung jalur lambat panas, dan operator harus menunggu hampir setengah jam sebelum memasukkan beban pertama. Teknisi menelusuri jalur itu dan menemukan tiga hal: pipa uap turun di bawah balok lalu naik lagi tanpa titik pembuangan kondensat di titik rendahnya, satu perangkap uap dipakai bersama untuk dua pengering, dan kondensat dari semua peralatan dibuang langsung ke saluran lantai.

Ketiga temuan itu saling berhubungan. Kondensat yang terkumpul semalaman di titik rendah didorong uap ketika katup dibuka, menghantam belokan, dan menimbulkan bunyi pukulan. Perangkap bersama membuat satu pengering menahan kondensat sementara yang lain lewat. Kondensat yang dibuang membuang air lunak yang sudah diolah dan panas yang masih tinggi. Bab ini menjelaskan cara uap diantarkan ke peralatan dan cara kondensatnya dikeluarkan dan dikembalikan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pipa uap jenuh, perangkap uap, dan saluran kondensat di laundry, dapur, dan rumah sakit, dari header boiler sampai peralatan dan kembali ke tangki air umpan. Sifat uap, tabel uap, dan uap kilat ada di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap, boiler di Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan, dan mutu air serta blowdown di Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown. Keselamatan uap, luka bakar, dan isolasi energi sebelum membuka pipa ada di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas dan di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik. Katup secara umum ada di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air, perpindahan panas dan isolasi di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif, dan pemuaian termal di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase.

Ukuran pipa, kapasitas perangkap, dan ketebalan isolasi yang dipasang mengikuti perancang dan data pabrik. Angka di bab ini adalah angka contoh atau nilai umum dari literatur teknik, untuk memahami cara hitung.

Susunan sistem distribusi uap

Pada susunan yang lazim di laundry rumah sakit, air masuk melalui pelunak, pompa air lunak mengisi boiler, uap dari boiler masuk ke header uap, lalu dibagi ke washer, pengering, dan setrika gulung melalui set katup penurun tekanan, katup, dan pipa lentur, dengan perangkap uap di keluaran setiap peralatan. Pada susunan itu kondensat dari peralatan dialirkan ke saluran pembuangan. Susunan seperti itu bekerja, tetapi membuang air dan panas (Contoh 6); bagian akhir bab ini membahas pengembalian kondensat.

Kondensat (condensate) adalah air yang terbentuk ketika uap mengembun di pipa dan peralatan. Jalur uap yang baik memenuhi lima syarat: uap sampai pada tekanan yang cukup, uap sampai dalam keadaan kering, udara dibuang saat mulai, kondensat dibuang secepat terbentuk, dan pipa dapat memuai tanpa merusak tumpuan dan sambungan.

Ukuran pipa, kemiringan, dan kantong kondensat

Pipa uap dipilih dari laju uap, tekanan, dan kecepatan yang diizinkan. Kecepatan uap jenuh di pipa distribusi sering dibatasi sekitar 25 sampai 35 m/s, seperti di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap. Pipa yang terlalu kecil menyebabkan rugi tekan besar sehingga tekanan di peralatan turun, seperti setrika pada kasus pembuka Bab 3, serta bising dan erosi. Pipa yang terlalu besar mahal, lambat panas, dan kehilangan panasnya besar.

Laju uap yang sama memerlukan pipa jauh lebih besar pada tekanan rendah (Contoh 2). Karena itu uap didistribusikan pada tekanan yang lebih tinggi lalu diturunkan dekat peralatan. Rugi tekan dihitung dengan grafik atau rumus rugi gesek pipa, dan dasar rugi gesek ada di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan dan di Bab 8 · Bangunan & Fasilitas tentang kebutuhan air dan ukuran pipa.

Pipa baja schedule 40 dipakai untuk instalasi uap, dan schedule adalah ukuran tebal dinding. Anggapan bahwa angka 40 berarti tahan 40 bar keliru: nomor schedule adalah deret tebal dinding, bukan tekanan dalam bar. Tekanan yang diizinkan untuk sebuah pipa bergantung pada diameter, bahan, suhu, cara penyambungan, dan standar perancangan yang dipakai, sehingga diperiksa dari standar dan perancang, bukan dari nomor schedule.

Uap mulai mengembun begitu masuk pipa, terutama saat pipa masih dingin pada pagi hari (Contoh 1). Kondensat harus mengalir ke titik pembuangan, bukan terkumpul. Kantong kondensat (drip leg) adalah potongan pipa tegak berdiameter cukup besar di bawah pipa uap, tempat kondensat terkumpul lalu dibuang oleh perangkap di bawahnya.

1. Kemiringan: pipa uap utama dipasang menurun ke arah aliran, sekitar 1:100 sampai 1:250, sehingga kondensat mengalir searah dengan uap.
2. Kantong kondensat: di setiap titik rendah, di ujung pipa, sebelum katup penurun tekanan, sebelum katup kendali, dan pada jarak tertentu di pipa lurus yang panjang, dipasang kantong berdiameter cukup besar dengan perangkap di bawahnya. Lubang kecil di dasar pipa tidak cukup, karena kondensat yang mengalir cepat melewatinya.
3. Cabang dari atas: pipa cabang ke peralatan diambil dari atas pipa utama agar kondensat di dasar pipa utama tidak ikut masuk.
4. Naik setelah turun: bila pipa harus turun lalu naik, misalnya melewati balok seperti pada kasus pembuka, titik rendahnya diberi kantong dan perangkap.

Pipa panjang, misalnya lebih dari sekitar 100 m, dengan laju kondensat besar memerlukan perlakuan khusus.

Pemuaian, jangkar, dan isolasi pipa

Pipa memanjang ketika dipanaskan dari suhu ruang ke suhu uap:

$$\Delta L = \alpha \, L \, \Delta T$$

dengan $\Delta L$ pertambahan panjang (m), $\alpha$ koefisien muai panjang (per K), $L$ panjang pipa (m), dan $\Delta T$ kenaikan suhu (K). Untuk baja karbon $\alpha$ sekitar $12 \times 10^{-6}$ per K, seperti di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, yaitu sekitar 12 mm per meter per 1.000 °C kenaikan suhu. Pipa uap 50 m yang dipanaskan dari 30 °C sampai 175,4 °C, suhu uap 8 bar, memanjang $12 \times 10^{-6} \times 50 \times 145{,}4 = 0{,}087$ m, hampir 9 cm.

Pemuaian itu harus diserap oleh belokan, lengkung pemuaian, atau sambungan muai, dengan jangkar yang menahan pipa di titik tertentu dan pemandu yang mengarahkan pemuaian. Jangkar dipasang untuk menahan sistem pipa terhadap pemuaian dan penyusutan, dan pemandu pemuaian dipakai bila arah pemuaian penting. Pipa yang dijepit mati di kedua ujung tanpa ruang muai akan melengkung, merusak tumpuan, atau mematahkan sambungan pada peralatan, termasuk sambungan pipa lentur ke mesin cuci yang bergetar.

Pipa uap yang tidak diisolasi kehilangan panas besar, dan panas yang hilang itu muncul sebagai kondensat tambahan yang harus dibuang. Kehilangan panas pipa telanjang dibaca dari tabel pancaran panas pipa horizontal telanjang, dan ketebalan isolasi dari tabel ketebalan yang dianjurkan untuk rentang suhu tertentu.

Isolasi wol batuan dipakai untuk pipa uap. Pipa telanjang ukuran sedang pada suhu uap laundry dapat kehilangan beberapa ratus watt per meter, sedangkan dengan isolasi yang baik hanya beberapa puluh watt per meter (Contoh 3). Katup, flens, dan saringan yang dibiarkan telanjang juga kehilangan panas besar; selubung isolasi yang dapat dilepas memudahkan perawatan tanpa membiarkannya telanjang. Isolasi yang basah oleh bocoran kehilangan sebagian besar kemampuannya dan mempercepat korosi di bawahnya, sehingga bocoran diperbaiki sebelum isolasi diganti.

Stasiun katup penurun tekanan

Set katup penurun tekanan dipasang antara header dan peralatan. Susunan stasiun yang lazim, dari hulu ke hilir:

1. Katup isolasi.
2. Pemisah uap atau kantong kondensat dengan perangkap, agar uap yang masuk kering.
3. Saringan, dipasang dekat masukan katup agar katup tetap bersih.
4. Katup penurun tekanan dengan manometer di hulu dan hilir.
5. Katup pengaman di hilir, karena peralatan di hilir mungkin hanya dirancang untuk tekanan rendah; bila katup penurun tekanan gagal terbuka, tekanan hulu akan masuk ke peralatan.
6. Katup isolasi hilir, dan bila ada, jalur pintas dengan katup yang biasanya tertutup dan terkunci.

Jalur pintas yang dibiarkan terbuka sebagian "untuk menambah uap" membuat penurun tekanan tidak berfungsi dan memasukkan tekanan tinggi ke peralatan.

Perangkap uap: jenis, pemilihan, dan pemasangan

Perangkap uap (steam trap) adalah katup otomatis di keluaran peralatan atau kantong kondensat yang membiarkan cairan dicekik ke tekanan yang lebih rendah tetapi menahan uap. Tugasnya ada tiga: membuang kondensat, membuang udara dan gas tak terkondensasi terutama saat mulai, dan menahan uap hidup (live steam), yaitu uap dari jalur bertekanan yang belum mengembun. Uap hidup berbeda dari uap kilat (flash steam), yaitu uap yang terbentuk ketika kondensat panas dilepas ke tekanan yang lebih rendah.

Ven udara jenis tekanan seimbang adalah jenis ven udara yang paling banyak diterima. Tidak ada satu jenis perangkap yang terbaik untuk semua titik; jenis dipilih menurut tugas.

Tekanan balik (back pressure) adalah tekanan di saluran kondensat setelah perangkap, yang melawan aliran kondensat keluar dari perangkap. Hal yang diperhatikan saat memilih perangkap:

1. Beban kondensat, termasuk beban mulai pagi hari yang dapat beberapa kali beban tunak. Kapasitas perangkap sering dipilih dua sampai tiga kali beban tunak; pengering dengan beban tunak 211 kg/jam, seperti di Bab 3, memerlukan perangkap sekurang-kurangnya 422 kg/jam pada beda tekanan kerjanya, dan lebih besar bila beban mulai pagi hari jauh lebih besar.
2. Beda tekanan di perangkap, yaitu tekanan di peralatan dikurangi tekanan balik di saluran kondensat. Mengangkat kondensat ke pipa kembali yang lebih tinggi menambah tekanan balik sekitar 0,1 bar per meter tinggi (Contoh 4).
3. Peralatan dengan kendali suhu: ketika katup kendali menurunkan tekanan di kumparan, beda tekanan di perangkap dapat hilang dan kondensat tertahan. Pengering dan penukar panas berkendali suhu memerlukan perangkap pelampung dan termostatik, dan kadang pompa kondensat.

Aturan pemasangan:

1. Satu perangkap untuk satu peralatan. Perangkap bersama untuk dua peralatan, seperti pada kasus pembuka, membuat peralatan dengan tekanan sedikit lebih rendah tidak dapat membuang kondensatnya.
2. Saringan sebelum perangkap, dan katup isolasi di kedua sisi untuk perawatan.
3. Titik uji setelah perangkap, berupa kaca intip atau katup uji. Ada unit yang memungkinkan perangkap diperiksa saat bekerja.
4. Perangkap dipasang di bawah titik keluar kondensat peralatan, dengan pipa masuk yang menurun ke perangkap.

Menguji perangkap

Perangkap gagal dengan dua cara: gagal terbuka, membuang uap hidup terus-menerus, dan gagal tertutup, menahan kondensat sehingga peralatan terendam dan lambat panas. Cara memeriksanya:

1. Melihat di titik uji atau kaca intip. Uap kilat keluar sebagai awan putih yang malas dan terputus-putus bersama air; uap hidup keluar sebagai semburan terus-menerus yang hampir bening di mulut pipa. Uap kilat selalu ada pada perangkap yang sehat, seperti di Bab 3, sehingga awan putih saja bukan tanda perangkap bocor.
2. Mengukur suhu di hulu dan hilir. Hulu yang jauh lebih dingin daripada suhu jenuh menunjukkan kondensat tertahan. Hilir selalu panas karena uap kilat, sehingga suhu hilir saja tidak membuktikan kebocoran.
3. Mendengarkan dengan alat ultrasonik atau batang pendengar: siklus buka tutup yang teratur pada perangkap cakram atau ember menunjukkan kerja normal; desis terus-menerus menunjukkan kebocoran.

Kebocoran uap dari perangkap yang gagal terbuka mahal. Rumus empiris yang lazim untuk aliran uap melalui lubang memperkirakan bahwa lubang 3 mm yang terbuka penuh pada 8 bar melepaskan sekitar 20 kg/jam uap, atau sekitar 80 ton selama 4.000 jam setahun. Survei perangkap berkala, misalnya setahun sekali atau lebih sering untuk perangkap besar, dicatat per nomor perangkap.

Palu air

Palu air (water hammer) pada pipa uap terjadi ketika kondensat yang terkumpul didorong uap dengan kecepatan tinggi dan menghantam belokan, katup, atau ujung pipa, atau ketika uap tiba-tiba mengembun di dalam genangan kondensat dan airnya menghantam. Gaya hantaman dapat memecahkan katup, flens, kaca intip, dan badan perangkap, dan melepaskan uap ke ruang kerja.

Penyebab yang lazim:

1. Titik rendah tanpa kantong kondensat, seperti pada kasus pembuka.
2. Katup utama dibuka cepat ketika pipa masih dingin dan berisi kondensat.
3. Perangkap gagal tertutup sehingga kondensat menumpuk.
4. Pipa melengkung di antara tumpuan sehingga ada lekukan tempat air terkumpul.
5. Kondensat diangkat setelah perangkap ke pipa yang berisi uap kilat, sehingga uap mengembun mendadak.

Pencegahannya: kantong kondensat di titik rendah, kemiringan yang benar, katup utama dibuka perlahan dengan pembuangan pemanasan dibuka lebih dulu, perangkap yang bekerja, dan tumpuan pipa yang cukup rapat. Bunyi pukulan bukan hal biasa yang boleh dibiarkan; itu kondisi berhenti.

Pengembalian kondensat dan uap kilat

Kondensat adalah air lunak yang sudah diolah dan masih panas. Mengembalikannya ke tangki air umpan menghemat air, bahan kimia pengolahan, dan bahan bakar, seperti dihitung di Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan untuk air umpan yang lebih dingin. Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas menekankan bahwa kondensat dicatat sebagai aliran terukur dan tidak semua kondensat layak dikembalikan; kondensat dari penukar panas yang dapat tercemar kimia atau air proses diperiksa lebih dulu, misalnya dengan konduktivitas.

Saluran kondensat setelah perangkap berisi campuran air dan uap kilat, sehingga ukurannya dipilih untuk volume uap kilat, bukan hanya air. Untuk menghitung ukuran pipa kondensat, kecepatan uap kilat dapat dianggap sekitar 15 m/s. Uap kilat dari kondensat bertekanan tinggi dapat dipisahkan di bejana kilat dan dipakai pada tekanan rendah, misalnya untuk memanaskan air umpan atau air proses (Contoh 5); ini dibahas lebih lanjut di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry. Pompa kondensat dipakai bila kondensat harus diangkat lebih tinggi daripada yang dapat didorong oleh beda tekanan perangkap.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Sifat uap (suhu jenuh, $h_f$, $h_{fg}$, dan $v_g$) adalah nilai tabel uap IAPWS-IF97, seperti tabel di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap.

Contoh 1: kondensat saat pemanasan pagi. Pipa uap 50 m ukuran 2 inci schedule 40 bermassa sekitar 5,44 kg/m, yaitu sekitar 272 kg baja. Dipanaskan dari 30 °C sampai 175,4 °C (uap 8 bar) dengan kalor jenis baja sekitar 0,49 kJ/(kg·K), panasnya $272 \times 0{,}49 \times 145{,}4 = 19.380$ kJ. Dengan kalor laten 2.030 kJ/kg, terbentuk sekitar 9,5 kg kondensat. Bila pemanasan berlangsung 15 menit, beban kondensatnya sekitar 38 kg/jam, belum termasuk kehilangan panas.

Contoh 2: kecepatan uap. Pipa 2 inci schedule 40 berdiameter dalam sekitar 52,5 mm, luas $2{,}16 \times 10^{-3}$ m². Uap 500 kg/jam pada 8 bar ($v_g = 0{,}215$ m³/kg) mengalir sekitar 13,8 m/s. Laju yang sama pada 2 bar ($v_g = 0{,}603$ m³/kg) mengalir sekitar 38,7 m/s, terlalu cepat untuk pipa itu.

Contoh 3: isolasi. Pipa pada Contoh 1 kehilangan sekitar 0,40 kW/m bila telanjang dan 0,05 kW/m bila diisolasi. Untuk 50 m: 20 kW dibanding 2,5 kW, yaitu kondensat sekitar $20/2.030 \times 3.600 = 35$ kg/jam dibanding sekitar 4,4 kg/jam. Selisih 17,5 kW selama 4.000 jam setahun adalah 70.000 kWh panas.

Contoh 4: tekanan balik karena mengangkat kondensat. Perangkap di keluaran pengering 7 bar harus mengangkat kondensat 6 m ke pipa kembali di plafon. Tinggi itu menambah tekanan balik sekitar $1.000 \times 9{,}81 \times 6 = 58.900$ Pa, yaitu sekitar 0,59 bar. Bila tekanan di pipa kembali 0,2 bar, beda tekanan perangkap sekitar $7 - 0{,}59 - 0{,}2 = 6{,}2$ bar ketika pengering bekerja penuh, tetapi turun mendekati nol bila katup kendali menurunkan tekanan kumparan di bawah sekitar 0,8 bar.

Contoh 5: uap kilat ke bejana bertekanan rendah. Kondensat 8 bar ($h_f = 743$ kJ/kg) dilepas ke bejana kilat 0,5 bar (1,51 bar mutlak, $h_f = 468$ kJ/kg, $h_{fg} = 2.226$ kJ/kg). Fraksi uap kilat $(743 - 468)/2.226 = 0{,}124$, yaitu 12,4 persen, bersuhu sekitar 111,6 °C dan dapat dipakai untuk pemanasan bertekanan rendah.

Contoh 6: nilai kondensat yang dibuang. Laundry membuang 300 kg/jam kondensat pada sekitar 90 °C, sementara air pengganti masuk pada 28 °C. Panas yang hilang sekitar $300 \times 4{,}19 \times 62/3.600 = 21{,}6$ kW, ditambah air lunak sekitar $300 \times 4.000/1.000 = 1.200$ m³ setahun yang harus diolah ulang.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, bila:

1. Pipa uap berbunyi seperti dipukul. Tutup katup perlahan bila aman, buang kondensat, dan cari penyebabnya sebelum membuka lagi.
2. Perangkap, saringan, atau flens akan dibuka sementara pipa masih bertekanan atau berisi kondensat panas; isolasi kedua sisi, buang tekanan, dan buktikan nol seperti di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.
3. Katup pengaman di hilir katup penurun tekanan tidak ada atau tidak bekerja, atau jalur pintas terbuka.
4. Tekanan di peralatan melewati tekanan rancang peralatan itu.
5. Kebocoran uap terlihat dari sambungan; jangan mendekat dengan tangan, karena uap hidup hampir tidak terlihat di dekat lubang.
6. Pipa melengkung, tumpuan patah, atau sambungan peralatan tertarik oleh pemuaian.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap memberi tabel uap dan uap kilat, sedangkan Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan dan Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown mengapit bab ini. Kebutuhan panas laundry ada di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry, dan neraca utilitas serta kondensat di Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas. Keselamatan membuka pipa ada di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas dan di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik. Katup dibahas di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas tentang katup dan pengendalian air, isolasi di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif, pemuaian di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, rugi gesek pipa di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan, dan pemakaian uap kilat di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry.

Latihan dan pembahasan

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