Panas dan utilitas laundry: air panas, uap, tekanan titik pakai, dan ventilasi

Di ruang boiler sebuah laundry hotel, pengukur tekanan boiler dapat menunjukkan tekanan tinggi, sementara mesin cuci di ujung jalur hanya menerima sebagian kecilnya. Pengamatan itu sering ditemui teknisi, dan ia bukan anomali, melainkan akibat desain distribusi. Panas juga biaya yang tidak terlihat, karena konsumsi energi naik perlahan tanpa indikator langsung pada hasil. Suhu yang terus harus dinaikkan untuk hasil yang sama adalah sinyal bahwa variabel lain tidak lagi bekerja.

Batas pembahasan

Bab ini membahas kebutuhan panas laundry dan sistem air panas, uap, serta gas yang melayaninya. Suhu yang ditetapkan bab-bab sebelumnya, dari jendela kerja enzim di Bab 7 sampai disinfeksi termal di Bab 14 tentang higiene linen, hanya tercapai bila sistem penyedia panas mampu memenuhinya saat dibutuhkan dan distribusinya membawa panas itu sampai ke mesin. Uap, udara tekan, neraca utilitas, dan kehilangan secara umum ada di Bab 1 · Utilitas dan Bab 2 · Utilitas tentang utilitas, dan proses di dalam pengering di Bab 15 tentang pengeringan. Desain boiler dan sertifikasinya mengikuti regulasi bejana bertekanan yang berlaku dan dibahas di rak Utilitas, antara lain Bab 4 · Utilitas tentang boiler tingkat pemeriksaan.

Energi yang tersimpan dalam sistem panas

Sistem panas menyimpan energi dalam bentuk yang melukai dengan cepat; kondisi berhenti dan syarat isolasi energinya ada di bagian Kondisi berhenti.

Uap. Uap bertekanan membawa kalor laten yang besar; kebocoran uap dapat tidak terlihat di dekat lubangnya dan membakar kulit dalam sekejap. Tekanan absolut (absolute pressure) adalah tekanan pengukur ditambah tekanan atmosfer, sehingga uap pada tekanan absolut 5 bar terbaca sekitar 4 bar pada pengukur; Bab 3 · Utilitas tentang sifat uap dan tabel uap membahas keduanya.

Bejana dan jalur bertekanan. Boiler, tangki air panas bertekanan, dan jalur uap dapat melepaskan energinya bila katup pengaman gagal atau saat dibuka tanpa dibuang tekanannya. Tangki air panas bertekanan dilengkapi katup pelepas suhu dan tekanan yang berfungsi.

Gas. Pemanas air dan pengering gas membawa bahaya kebakaran, ledakan, dan karbon monoksida bila pembakaran atau pembuangan gas buangnya terganggu.

Air panas. Air di atas sekitar 60 °C dapat melukai kulit dalam hitungan detik.

Kebutuhan panas per siklus

Kebutuhan panas satu tahap dihitung dari massa yang dipanaskan, kalor jenisnya, dan kenaikan suhu:

dengan $Q$ panas dalam kJ, $m$ massa setiap bagian yang dipanaskan dalam kg (1 L air dianggap 1 kg), $c$ kalor jenisnya dalam kJ/(kg·K), dan $\Delta T$ kenaikan suhunya dalam K, yang besarnya sama dengan kenaikan dalam °C; 1 kWh sama dengan 3.600 kJ. Kalor jenis (specific heat) adalah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu kilogram bahan sebesar satu kelvin. Yang dipanaskan bukan hanya air. Linen, drum, dan bak ikut naik suhunya, dan sebagian panas hilang ke udara dan ke air buang. Air mendominasi karena massanya terbesar dan kalor jenisnya tinggi, sekitar 4,19 kJ/(kg·K), nilai yang juga dipakai Bab 10 · Fisika tentang kalor dan perpindahan panas; katun kering sekitar 1,3 kJ/(kg·K). Rumus ini mengandaikan kalor jenis tetap dan tanpa perubahan fase (Contoh 1).

Dua variabel yang sering terlupa menentukan kebutuhan panas.

Suhu air masuk. Setiap derajat air masuk yang lebih dingin menambah energi pada setiap liter yang dipanaskan. Di daerah tropis perbedaannya kecil sepanjang tahun, tetapi air dari tangki atap yang terpapar matahari dan air dari sumur dalam dapat berbeda; suhu air masuk nyata diukur, bukan diandaikan.

Jumlah air. Level air, jumlah bilasan hangat, dan suhu tiap tahap ditentukan program. Bab 11 tentang arsitektur program cuci dan Bab 10 tentang washer-extractor menjelaskan bahwa level dan jumlah bilasan juga menentukan konsentrasi kimia; pilihan itu sekaligus menentukan kebutuhan panas.

Praktik laundry mengenal satu pola yang perlu diwaspadai: menaikkan suhu sebagai kompensasi atas ketidakseimbangan variabel lain. Bab 5 tentang lima faktor pencucian menunjukkan bahwa kompensasi punya batas; bab ini menambahkan bahwa kompensasi dengan panas juga mahal dan tidak terlihat dalam laporan.

Pilihan pemanasan dan laju naik suhu

Elemen listrik di mesin. Sederhana dan tidak bergantung pada sistem pusat, tetapi laju naik suhu dibatasi daya elemen. Mesin besar dengan elemen listrik dapat memerlukan waktu lama untuk mencapai suhu disinfeksi. Waktu pemanasan dan daya berhubungan melalui

dengan $t$ dalam detik, $Q$ dalam kJ, dan $P$ daya panas yang benar-benar masuk ke bak dalam kW (1 kW = 1 kJ/s); dibaca terbalik, $P = Q/t$ memberi daya pemanas untuk pengisian serentak (Contoh 3).

Air panas terpusat. Mesin mengisi air yang sudah panas, sehingga waktu naik suhu pendek. Kinerjanya bergantung pada kapasitas penyimpanan dan pemulihan pemanas, serta pada suhu air yang benar-benar tiba di mesin.

Uap. Uap dapat diinjeksikan langsung ke bak atau dialirkan melalui penukar panas. Injeksi uap langsung (direct steam injection) adalah pemanasan dengan memasukkan uap ke air cuci sehingga uap mengembun di dalamnya. Pemanasannya sangat cepat, tetapi kondensat uap menjadi bagian dari air cuci, sehingga level air dan konsentrasi kimia ikut berubah. Entalpi (enthalpy) adalah energi per kilogram yang dibawa suatu aliran pada keadaannya. Massa uapnya

dengan $h_g$ entalpi uap jenuh pada tekanan suplai dan $h_{\text{air}}$ entalpi air pada suhu campuran, keduanya dalam kJ/kg; $h_{\text{air}}$ didekati dengan $c\,T$. Rumus ini mengandaikan semua uap mengembun di bak dan kehilangan panas diabaikan; Contoh 2 menghitung besarnya. Uap juga membawa bahaya tekanan dan memerlukan boiler yang dioperasikan menurut regulasi.

Laju naik suhu bukan hanya soal waktu siklus. Bab 7 tentang enzim menunjukkan bahwa enzim bekerja selama suhu masih di dalam jendela kerjanya, sehingga pemanasan yang terlalu cepat memperpendek waktu kerja enzim. Bab 14 tentang higiene linen menunjukkan bahwa waktu tahan disinfeksi dihitung setelah seluruh beban mencapai suhu. Kedua hal ini membuat laju pemanasan menjadi parameter program yang dicatat, di samping sifat mesin.

Kapasitas terpasang dan kebutuhan puncak

Kapasitas terpasang berbeda dari kebutuhan nyata: sistem yang besar di atas kertas belum tentu menyediakan panas di titik pakai, dan penambahan kapasitas tanpa memahami kebutuhan nyata sering mahal dan tidak efektif.

Kebutuhan puncak laundry terjadi ketika beberapa mesin mengisi air panas atau menginjeksi uap bersamaan. Pemanas yang cukup untuk kebutuhan rata-rata harian dapat gagal pada puncak itu: air yang tiba di mesin lebih dingin, level tercapai dengan air yang kurang panas, dan mesin harus memanaskan sendiri, sehingga siklus memanjang. Dua cara menanganinya adalah penyimpanan air panas yang cukup untuk puncak, dan penjadwalan agar pengisian tidak serentak. Contoh 3 menghitung daya pemanas untuk satu skenario puncak.

Tekanan dan debit di sumber dibanding titik pakai

Titik pakai (point of use) adalah tempat air panas atau uap benar-benar dipakai, misalnya katup isi atau injektor uap mesin cuci. Tekanan di sumber tidak sama dengan tekanan di titik pakai. Aliran melalui pipa, katup, dan sambungan kehilangan tekanan, dan kehilangan itu naik tajam ketika debit naik, seperti dibahas di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan perpipaan. Pada saat beberapa mesin mengisi bersamaan, debit di pipa utama naik, tekanan di ujung jalur turun, dan mesin yang paling jauh mengisi paling lambat.

Akibatnya di mesin dapat berupa waktu isi yang memanjang, alarm waktu isi, atau, bila tekanan air panas turun lebih banyak daripada air dingin, level yang tercapai dengan campuran yang lebih dingin daripada yang diprogram. Untuk uap, tekanan yang turun berarti debit massa uap ke injektor berkurang, dan pada penukar panas juga suhu jenuh yang lebih rendah; keduanya memperlambat pemanasan. Panjang jalur, diameter pipa, dan beban serentak menentukan energi yang benar-benar sampai ke proses.

Pemeriksaan praktisnya adalah mengukur tekanan dan suhu di titik pakai pada saat beban puncak, bukan hanya membaca pengukur di sumber.

Kehilangan distribusi

Kehilangan panas dari pipa. Pipa air panas dan uap yang tidak diisolasi atau isolasinya rusak kehilangan panas terus-menerus, termasuk ketika mesin tidak bekerja. Bab 2 · Utilitas tentang efisiensi dan kehilangan utilitas membahas kehilangan ini secara umum.

Air dingin di pipa. Pipa air panas yang panjang berisi air yang sudah mendingin ketika mesin tidak mengisi. Pada pengisian berikutnya, air dingin itulah yang masuk lebih dulu ke mesin. Pedoman perpipaan air panas menekankan agar volume air antara pemanas dan titik pakai dibuat sekecil mungkin. Di laundry, air dingin ini menurunkan suhu awal bak dan menambah pekerjaan pemanas mesin; Contoh 4 menghitung volumenya. Sirkulasi ulang air panas atau jalur pendek mengurangi masalah ini.

Uap dan kondensat. Perangkap uap (steam trap) adalah katup otomatis yang membuang kondensat dari jalur uap dan menahan uap hidup. Perangkap uap yang bocor membuang uap hidup, dan perangkap yang macet menahan kondensat sehingga pemanasan melambat. Kondensat yang dibuang juga membuang air olahan dan panas yang masih dapat dipulihkan. Rincian perangkap uap dibahas di Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat.

Panas yang terbuang bersama air buang. Air cuci utama dan bilasan hangat dibuang pada suhu yang masih tinggi, dan Contoh 6 menghitung besarnya. Pemulihan panas dari air buang dengan penukar panas untuk memanaskan awal air masuk adalah pilihan yang dinilai dengan neraca di Bab 2 · Utilitas tentang efisiensi dan kehilangan utilitas; air buang laundry membawa serat dan kotoran, sehingga penukar panasnya memerlukan penyaringan dan pembersihan berkala. Air buang yang panas juga berpengaruh pada pengolahan limbah, seperti dibahas di Bab 17 tentang limbah cair laundry.

Air panas yang tersimpan. Tangki air panas kehilangan panas melalui dindingnya. Suhu penyimpanan juga punya sisi higiene: air hangat yang tersimpan lama dapat menjadi tempat tumbuh bakteri Legionella, dan pedoman keselamatan kerja Inggris menganjurkan air panas disimpan pada 60 °C atau lebih dan didistribusikan pada 50 °C atau lebih, dengan katup pencampur termostatik dipasang sedekat mungkin dengan titik pakai bila ada risiko melepuh. Katup pencampur termostatik (thermostatic mixing valve) adalah katup yang mencampur air panas dan air dingin menjadi air keluaran bersuhu tetap. Suhu penyimpanan ini berbenturan dengan bahaya air panas di titik pakai tangan, sehingga katup pencampur itulah yang menyelesaikan keduanya.

Ventilasi, panas, dan kelembapan ruang

Panas dan kelembapan adalah produk samping proses: tanpa pengelolaan, ruang yang panas dan lembap memperberat kerja mesin, mempercepat kelelahan operator, dan mengganggu stabilitas proses. Sumber panas dan uap air di ruang cuci adalah mesin cuci yang membuka pintu setelah cuci panas, permukaan mesin, setrika gulung, dan kebocoran udara dari pengering. Tiga akibatnya perlu dikendalikan.

Kenyamanan dan kesehatan kerja. Ruang panas dan lembap menambah beban panas tubuh pekerja, terutama di dekat setrika dan pengering.

Kondensasi dan korosi. Uap air mengembun pada permukaan dingin, termasuk atap, panel listrik, dan dinding, sehingga mempercepat korosi dan pertumbuhan jamur.

Udara pengganti. Udara pengganti (make-up air) adalah udara luar yang masuk ke ruang untuk menggantikan udara yang dibuang pengering dan kipas. Pengering membuang udara dalam jumlah besar. Ruang yang tidak mendapat udara pengganti cukup menjadi bertekanan negatif, sehingga aliran udara pengering berkurang dan pengering bekerja kurang efisien. Gas buang pemanas air atau ketel uap berpembuangan alami di ruang yang sama dapat berbalik ke ruangan, dan pembakaran pengering gas dapat terganggu. Kebutuhan udara pengganti diambil dari manual pemasangan pengering dan peralatan gas.

Ventilasi karena itu dirancang sebagai bagian sistem, dengan jalur udara buang dari sumber panas terbesar dan udara pengganti yang cukup, sejalan dengan pemisahan zona kotor dan bersih di Bab 14 tentang higiene linen.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: energi pemanasan satu cuci utama. Cuci utama berisi 200 L air dan 50 kg linen katun. Air masuk pada 28 °C dan dipanaskan ke 70 °C. Abaikan drum dan kehilangan.

Total sekitar 37.900 kJ atau sekitar 10,5 kWh untuk satu tahap. Drum, bak, dan kehilangan panas menambah angka ini. Bila air masuk pada 25 °C, kenaikan suhu menjadi 45 K dan kebutuhan air naik ke sekitar 37.700 kJ, sekitar 7% lebih besar. Perhitungan yang sama dipakai untuk setiap tahap hangat dalam program, lalu dijumlahkan menjadi kebutuhan per siklus.

Contoh 2: massa uap injeksi langsung. Kebutuhan panas air dan linen dari Contoh 1, 37.900 kJ, dipenuhi dengan uap jenuh kering pada tekanan absolut 5 bar, sekitar 4 bar pada pengukur, dengan suhu jenuh sekitar 152 °C. Entalpi uap itu sekitar 2.748 kJ/kg. Uap mengembun dan kondensatnya bercampur dengan air cuci pada 70 °C, dengan entalpi air sekitar 293 kJ/kg ($4{,}19 \times 70$). Setiap kilogram uap memberi:

Massa uap yang dibutuhkan $= 37.900/2.455 \approx 15{,}4$ kg. Kondensat itu menambah sekitar 15 L air ke bak 200 L, sekitar 8%. Bab 12 tentang penskalaan dosis menunjukkan bahwa volume cairan menentukan konsentrasi; tambahan ini menurunkan konsentrasi kimia sedikit dan dapat menaikkan level air, sehingga mesin berpemanas uap langsung disetel dengan memperhitungkannya. Perhitungan ini mengabaikan kehilangan panas dan panas untuk drum.

Contoh 3: daya pemanas untuk pengisian serentak. Empat mesin masing-masing mengisi 300 L air panas pada awal siklus, dan jadwal membuat keempatnya dapat mengisi dalam jendela 30 menit yang sama. Air baku 28 °C dipanaskan ke 65 °C. Tanpa tangki penyimpanan, daya pemanas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1.200 L dalam 30 menit:

Bila tangki penyimpanan 1.200 L sudah panas sebelum puncak, pemanas cukup memulihkan tangki di antara puncak. Dengan satu puncak per 2 jam, daya pemulihan menjadi sekitar $103 \times 30/120 \approx 26$ kW, ditambah kehilangan tangki. Angka ini adalah panas keluaran; masukan bahan bakar atau listrik sama dengan keluaran dibagi efisiensi pemanas. Tangki juga tidak menyerahkan seluruh 1.200 L pada 65 °C, karena air dingin yang masuk bercampur dengan air panas, sehingga ukurannya dibuat lebih besar. Contoh ini menunjukkan mengapa penyimpanan dan penjadwalan dapat lebih murah daripada pemanas yang lebih besar, dinilai dengan biaya investasi dan operasi.

Contoh 4: air dingin di pipa panjang. Pipa air panas berdiameter dalam 32 mm sepanjang 30 m dari tangki ke mesin terjauh. Volume air di pipa:

Bila pipa mendingin ke 30 °C di antara siklus, 24 L pertama yang masuk ke mesin bersuhu jauh di bawah air tangki. Bila bak cuci utama 200 L diisi dengan 24 L air 30 °C lalu 176 L air 65 °C, suhu awal campuran sekitar $(24 \times 30 + 176 \times 65)/200 \approx 60{,}8$ °C, sekitar 4 K di bawah suhu tangki, dan selisih itu dipanaskan oleh mesin. Jalur sirkulasi ulang atau penempatan tangki lebih dekat ke mesin mengurangi volume air dingin ini; isolasi pipa tidak mengubah volumenya, tetapi memperlambat pendinginannya di antara siklus.

Contoh 5: waktu naik suhu dengan elemen listrik di laundry hotel. Mesin cuci di laundry sebuah hotel memanaskan cuci utama Contoh 1 dengan elemen listrik 18 kW, dan seluruh daya elemen dianggap masuk ke bak. Bila bak diisi air baku 28 °C, elemen harus menyerahkan seluruh 37.900 kJ:

Bila bak diisi air panas terpusat 65 °C, elemen hanya menaikkan air dari 65 ke 70 °C dan linen dari 28 ke 70 °C: $Q = 200 \times 4{,}19 \times 5 + 50 \times 1{,}3 \times 42 \approx 4.190 + 2.730 = 6.920$ kJ, sehingga $t = 6.920/18 \approx 384$ s atau sekitar 6,4 menit. Bila 24 L pertama berasal dari pipa yang dingin seperti Contoh 4, air mulai dari 60,8 °C: $Q \approx 200 \times 4{,}19 \times 9{,}2 + 2.730 \approx 10.440$ kJ dan $t \approx 580$ s atau sekitar 9,7 menit. Waktu tahan disinfeksi baru dihitung sesudah seluruh beban mencapai suhu, sehingga selisih menit ini menambah panjang siklus, bukan mengurangi waktu tahan.

Contoh 6: panas yang terbuang bersama air buang di laundry rumah sakit. Setiap siklus di laundry rumah sakit membuang air cuci utama 200 L pada 50 °C dan satu bilasan hangat 200 L pada 40 °C, dengan air baku 28 °C. Panas yang dibawa air buang di atas suhu air baku:

Satu siklus membuang sekitar 7,9 kWh ke saluran, dan 10 siklus per hari sekitar 79 kWh. Air buang cuci utama saja membawa sekitar 52% dari 35.200 kJ yang dipakai untuk memanaskan air cuci utama pada Contoh 1. Angka itu besarnya peluang, bukan hasil pemulihan; yang layak dipulihkan dinilai dengan neraca di Bab 2 · Utilitas tentang efisiensi dan kehilangan utilitas.

Kondisi berhenti

Keadaan berikut adalah kondisi berhenti untuk uap, bejana bertekanan, gas, dan air panas, masing-masing dengan pihak yang mengambil alih.

1. Terdengar desis atau terlihat kabut di jalur uap. Area dijauhi, jalur diisolasi dari hulu oleh petugas berwenang, dan tidak ada yang mencari kebocoran dengan tangan.
2. Katup pengaman boiler atau tangki membuang terus, atau pengukur tekanan menunjukkan di luar batas. Sumber panas dihentikan menurut prosedur operator boiler.
3. Tercium bau gas. Sakelar listrik dan api tidak dioperasikan, area ditinggalkan, katup gas utama ditutup hanya bila aman dijangkau, dan pemasok gas atau teknisi berwenang dihubungi.
4. Alarm karbon monoksida berbunyi. Area dievakuasi segera, tidak dimasuki kembali sebelum diperiksa personel berwenang, dan pekerja yang pusing, mual, atau sesak mencari pertolongan medis.
5. Air keluar dari titik pakai jauh lebih panas daripada yang ditetapkan, menunjukkan katup pencampur gagal. Titik pakai itu ditandai dan tidak dipakai untuk tangan sampai katup diperbaiki oleh teknisi berkompeten.
6. Katup pengaman bejana atau tangki air panas ditemukan tersumbat, diikat, atau diganjal. Bejana tidak dioperasikan sampai katup dipulihkan oleh operator boiler atau penanggung jawab peralatan.
7. Pekerjaan diperlukan pada jalur uap, tangki, atau pemanas. Pekerjaan itu memerlukan isolasi energi: sumber dimatikan dan dikunci, tekanan dibuang, jalur didinginkan, keadaan nol energi diverifikasi sebelum membuka, dan pekerjaan dilakukan personel berwenang dengan izin kerja seperti di Bab 2 · Keselamatan tentang hierarki pengendalian, izin kerja, dan verifikasi keadaan aman.
8. Jalur uap hendak dihidupkan kembali. Jalur dibuka perlahan setelah kondensat dibuang, untuk mencegah pukulan air (water hammer), oleh operator boiler atau personel berwenang.
9. Ketel uap hendak dioperasikan, termasuk pemantauan level air ketel, oleh orang yang tidak memenuhi persyaratan regulasi setempat. Pengoperasian ketel uap dilakukan oleh operator yang memenuhi persyaratan itu.
10. Panel listrik di ruang cuci berkarat karena kondensasi. Panel diperiksa oleh teknisi listrik yang kompeten sebelum dikerjakan, dan dilindungi dari kondensasi sambil perbaikan ventilasi direncanakan.
11. Gas buang pemanas air atau ketel uap berpembuangan alami berbalik ke ruangan, atau pembakaran pengering gas terganggu. Peralatan gas itu tidak dipakai sampai teknisi berwenang memeriksa pembuangan gas buang dan udara pengganti.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 10 · Fisika tentang kalor memberi dasar kalor jenis, Bab 2 · Fluida & Termal tentang rugi tekan memberi dasar kehilangan tekanan, dan Bab 2 · Keselamatan tentang izin kerja memberi dasar isolasi energi. Bab 1 · Utilitas dan Bab 2 · Utilitas tentang utilitas memberi dasar uap, neraca, dan kehilangan; Bab 3 · Utilitas tentang tabel uap, Bab 4 · Utilitas tentang boiler, dan Bab 5 · Utilitas tentang perangkap uap dan kondensat merinci sisi uapnya. Di rak Laundry, bab ini bersandar pada Bab 5 tentang lima faktor, Bab 7 tentang enzim, Bab 10 tentang washer-extractor, Bab 11 tentang arsitektur program, Bab 12 tentang penskalaan dosis, Bab 14 tentang higiene linen, dan Bab 15 tentang pengeringan, serta menjadi dasar Bab 17 tentang limbah cair, Bab 21 tentang K3 laundry, dan Bab 22 tentang biaya per kg.

Latihan dan pembahasan

Tuliskan rumus, satuan, dan asumsi yang dipakai. Angka dalam soal adalah data latihan.

Referensi