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 tentang perpindahan panas kuantitatif; sifat uap di Bab 3 · Utilitas tentang sifat uap dan tabel uap; perangkap uap dan kondensat di Bab 5 · Utilitas; efisiensi energi dan isolasi di Bab 11 · Utilitas tentang efisiensi energi utilitas laundry; 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 tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Energi dan waktu pemanasan

Energi untuk memanaskan sejumlah cairan dari suhu awal ke suhu akhir dihitung dengan neraca energi, seperti di Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika:

dengan $Q$ energi (kJ), $m$ massa cairan (kg), $c_p$ kalor jenis, sekitar 4,18 kJ/kgK untuk air, dan $T_1$ serta $T_2$ suhu awal dan akhir (°C); 1 kWh sama dengan 3.600 kJ. Daya bersih (net heating power) adalah daya pemanas dikurangi kehilangan panas. Bila pemanas memberi daya bersih $P$, waktu pemanasan kira-kira:

dengan $t$ dalam jam bila $Q$ dalam kWh dan $P$ dalam kW. 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 bagian koil dan mantel.

Pemanas listrik celup

Pemanas listrik celup (immersion heater) adalah elemen tahanan yang direndam langsung di cairan. Elemen pemanas tersedia dalam berbagai tegangan dan daya baku untuk memenuhi kebutuhan pemasangan. Hal yang perlu diperhatikan:

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 tentang kelarutan, pengendapan, dan kecenderungan kerak.
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 bagian kehilangan panas tangki.

Koil dan mantel

Koil (coil) adalah pipa yang digulung di dalam tangki, dialiri uap atau air panas. Mantel (jacket) adalah selubung di luar dinding tangki. Jenis bejana bermantel meliputi mantel bersekat spiral, mantel lesung, dan mantel setengah pipa; koefisien mantel dengan nosel pengaduk mirip dengan mantel bersekat, dan 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 tentang sifat uap dan tabel uap. Uap 1 bar ukur mengembun pada sekitar 120 °C dan uap 4 bar ukur sekitar 152 °C. Karena suhu sisi uap tetap, waktu memanaskan tangki yang teraduk baik dapat dihitung:

dengan $t$ waktu (s), $m$ massa cairan (kg), $c_p$ kalor jenis (J/(kg·K), sekitar 4.180 untuk air), $T_s$ suhu jenuh uap (°C), $U$ koefisien menyeluruh koil (W/m²K), dan $A$ luas permukaan koil (m²). Rumus ini menganggap isi tangki teraduk baik sehingga suhunya seragam. 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 tentang perangkap uap dan kondensat.

Injeksi uap langsung

Injeksi uap langsung (direct steam injection) adalah pemanasan dengan memasukkan uap ke dalam cairan; uap mengembun di sana dan menyerahkan panas latennya seluruhnya. Uap langsung juga dapat dipakai pada kolom proses sehingga kolom itu tidak memerlukan pemanas ulang. Cara ini cepat, sederhana, dan dipakai di banyak mesin cuci industri, seperti dibahas di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry. Massa uap yang diperlukan kira-kira:

dengan $m_s$ massa uap (kg), $m$ massa cairan (kg), $c_p$ kalor jenis (kJ/(kg·K)), $T$ suhu (°C), $h_g$ 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:

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:

dengan $Q_{\text{hilang}}$ laju kehilangan panas (W), $U_{\text{luar}}$ koefisien gabungan permukaan luar (W/m²K), $A$ luas permukaan luar tangki (m²), dan $T$ serta $T_{\text{ruang}}$ suhu isi tangki dan suhu ruang (°C). 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 tentang perpindahan panas kuantitatif dan Bab 11 · Utilitas tentang efisiensi energi utilitas laundry. 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

Stratifikasi suhu (thermal stratification) adalah pelapisan cairan di dalam tangki menurut suhunya. 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.

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 tentang air panas gedung dan pengendalian Legionella.

Pengadukan: tujuan dan jenis pengaduk

Pengaduk (agitator) adalah impeler berputar pada poros yang menggerakkan isi tangki. Sebagian besar operasi tumpak dilakukan dalam fasa cair di tangki berpengaduk, yaitu tangki dengan susunan pengaduk dan sekat yang membangkitkan pola aliran tertentu, dan jenis dasar impelernya adalah turbin, turbin berbilah miring, dan baling-baling kapal. Tujuan pengadukan yang umum:

1. Mencampur dua cairan atau melarutkan bahan, misalnya mengencerkan bahan kimia pekat.
2. Menjaga padatan melayang: 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.

Daya pengaduk dan waktu campur

Daya pengaduk pada aliran turbulen kira-kira:

dengan $P$ daya (W), $N_p$ bilangan daya yang bergantung pada jenis impeler dan sekat, $\rho$ massa jenis cairan (kg/m³), $N$ putaran per detik, dan $D$ diameter impeler (m). Bilangan daya (power number) adalah bilangan tak berdimensi yang menghubungkan daya pengaduk dengan massa jenis, putaran, dan diameter impeler. Bilangan daya sekitar 5 untuk turbin berbilah datar dengan sekat dan sekitar 0,3 sampai 0,5 untuk baling-baling. Karena daya sebanding pangkat tiga putaran dan pangkat lima diameter, menaikkan putaran dua kali menaikkan daya delapan kali. Rumus ini menjawab pertanyaan lapangan apakah motor cukup untuk menggerakkan pengaduk pada putaran tertentu.

Waktu campur (mixing time) adalah waktu yang diperlukan sampai isi tangki cukup merata. Waktu campur dapat diperkirakan dari debit yang dipompa impeler, kira-kira $Q_p = N_Q N D^3$ (m³/s) dengan $N_Q$ sekitar 0,5 sampai 0,8, dan dari pengamatan bahwa campuran yang cukup merata biasanya memerlukan beberapa kali pergantian isi tangki. 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. Sekat biasanya dipakai di sebagian besar pemakaian, dan 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 tentang udara dan gas di jalur cairan.

Contoh kerja

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

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: koil uap pada 4 bar ukur. Dengan $U A = 1.200 \times 2 = 2.400$ W/K dan uap 152 °C, $t = (3.000 \times 4.180/2.400) \times \ln((152 - 25)/(152 - 60)) = 5.225 \times \ln(127/92) = 5.225 \times 0{,}322 = 1.682$ s, sekitar 28 menit.

Contoh 3: 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 4: 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 5: 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 $3/0{,}041 = 73$ detik, dan dengan sekitar lima kali pergantian, waktu campur sekitar enam menit.

Contoh 6: 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

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika memberi neraca energi, dan Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif memberi perpindahan panas dan isolasi. Bab 3 · Utilitas tentang sifat uap dan tabel uap memberi suhu jenuh uap, Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat membahas perangkap uap, dan Bab 11 · Utilitas tentang efisiensi energi utilitas laundry membahas isolasi dan penghematan. Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung membahas legionella, Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry membahas panas di laundry, dan Bab 16 · Kimia tentang kecenderungan kerak membahas kerak pada elemen. Bab 7 tentang penukar panas dalam praktik dan Bab 6 tentang udara dan gas di jalur cairan adalah bab sebelumnya di rak ini. Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik dan Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi mengatur pembukaan tangki dan penanganan bahan kimia. Bab 9 tentang muai, penyangga, dan getaran pipa melanjutkan rak ini.

Latihan dan pembahasan