Pompa, penukar panas, dan batas operasi

Di ruang utilitas sebuah hotel, operator melihat laju air pendingin turun pada indikator, sementara temperatur keluaran proses mulai merangkak naik. Motor pompa masih berputar dan pipa balik terasa hangat. Satu angka saja tidak cukup untuk menunjuk sumber gangguan; pompa, penukar panas, atau kontrol masih perlu diperiksa. Aliran, tekanan, perpindahan panas, dan instrumen membentuk satu rangkaian, dan keputusan awal dimulai dengan memisahkan hasil ukur dari dugaan.

Pompa memindahkan cairan, sedangkan penukar panas memindahkan energi termal antara dua aliran. Keduanya saling memengaruhi: pompa menyediakan beda energi untuk mengatasi beda elevasi dan kerugian hidraulik, sementara penukar panas memberi tahanan aliran dan mengubah temperatur fluida. Kerangka hitung membantu menjelaskan perilaku sistem. Keputusan operasional tetap memerlukan kurva alat, data desain, dokumen operasi, dan otorisasi kerja.

Batas pembahasan

Bab ini membahas head pompa, daya hidraulik dan daya poros, titik kerja, tekanan uap dan kavitasi, neraca energi penukar panas, dan beda temperatur rata-rata logaritmik, lalu memakainya untuk membaca gejala pada loop air pendingin dan air panas.

Rugi tekan dibahas di Bab 2, dan penukar panas dalam praktik di Bab 7. Bab ini tidak memuat kurva vendor, lembar data unit, diagram instrumentasi, atau prosedur lokasi, dan tidak menetapkan nilai batas suhu, tekanan, getaran, debit minimum, NPSH, material, atau interval pembersihan untuk peralatan nyata. Tidak ada prosedur pembukaan, bypass interlock, atau penyetelan lapangan yang diberikan di sini.

Head pompa dan neraca energi dua titik

Pompa (pump) adalah mesin yang menerima kerja poros dan menaikkan energi mekanik fluida dengan menambahkan head. Pada pompa sentrifugal, impeler berputar dan memberi energi kepada cairan; bentuk rumah pompa mengarahkan aliran menuju sisi keluar. Head (head) adalah energi mekanik per satuan berat fluida, biasanya dinyatakan dalam meter fluida. Istilah ini memudahkan perbandingan energi tekanan, energi gerak, dan energi elevasi tanpa mencampurkan satuan tekanan dengan satuan panjang.

Untuk memahami suatu rangkaian, tetapkan dua titik ukur dan arah alir. Titik dapat dipilih pada batas sistem, misalnya permukaan dua tangki, atau pada sambungan masuk dan keluar pompa. Tekanan yang dicatat perlu dibedakan antara tekanan ukur terhadap atmosfer dan tekanan absolut terhadap vakum. Perbedaan ini menentukan apakah persamaan dapat disederhanakan, dan menjadi penentu ketika menilai kemungkinan cairan menguap di sisi isap. Persamaan energi untuk aliran tunak antara dua titik adalah:

Di sini $H_p$ adalah head yang harus ditambahkan pompa, dalam meter; $p_1$ dan $p_2$ adalah tekanan statik pada titik awal dan akhir, dalam pascal; $\rho$ adalah massa jenis, dalam kilogram per meter kubik; $g$ adalah percepatan gravitasi, dalam meter per sekon kuadrat; $V_1$ dan $V_2$ adalah kecepatan rata-rata, dalam meter per sekon; $z_1$ dan $z_2$ adalah elevasi, dalam meter; dan $h_L$ adalah head yang hilang akibat gesekan serta komponen aliran, dalam meter. Tanda beda tekanan dan beda elevasi mengikuti arah dari titik 1 ke titik 2, dan semua suku di kanan bersatuan meter.

Persamaan ini mengasumsikan aliran tunak, fluida dengan massa jenis yang dapat dianggap tetap, serta nilai kecepatan rata-rata yang mewakili setiap penampang. Untuk sistem dengan aliran berubah cepat, perubahan energi tersimpan, perubahan fase, atau massa jenis yang berubah berarti, neraca yang lebih lengkap diperlukan. Persamaan ini juga tidak menentukan sendiri apakah instalasi aman, material sesuai, atau pompa sanggup beroperasi pada keadaan tersebut.

Pada dua tangki terbuka dengan permukaan luas, tekanan di kedua permukaan sama-sama atmosfer dan kecepatan permukaannya dapat diabaikan. Jika elevasi permukaan keluaran lebih tinggi, pompa perlu menyediakan head elevasi itu ditambah seluruh kerugian di jalur. Untuk aliran antara titik ukur di dalam pipa, beda tekanan dan kecepatan tidak boleh dihapus tanpa dasar. Debit saja belum menentukan kebutuhan pompa.

Kerugian aliran muncul dari gesekan sepanjang pipa dan dari siku, katup, saringan, penyempitan, serta saluran di dalam penukar panas. Rugi komponen sering disajikan sebagai head atau beda tekanan, tetapi jangan menganggap satu nilai rugi tetap untuk semua debit, karena perubahan aliran mengubah kecepatan dan umumnya mengubah rugi.

Dari head menjadi daya yang dibutuhkan

Daya hidraulik (hydraulic power) adalah laju energi yang diteruskan ke fluida. Untuk cairan dengan massa jenis hampir tetap, rumusnya $P_h=\rho g Q H_p$, dengan $P_h$ daya hidraulik dalam watt dan $Q$ debit volumetrik dalam meter kubik per sekon. Nilainya berbeda dari daya listrik yang ditarik motor.

Efisiensi pompa (pump efficiency), ditulis $\eta$, adalah perbandingan tak berdimensi antara daya hidraulik dan daya poros, sehingga daya poros yang masuk ke pompa $P_s=P_h/\eta$. Karena efisiensi kurang dari satu, daya poros lebih besar daripada daya hidraulik, dan daya listrik lebih besar lagi bila rugi motor dan penggerak ikut dihitung. Nilai rugi jalur yang dipakai untuk head harus berlaku pada debit dan konfigurasi jalur yang sama, dan efisiensi aktual berubah mengikuti titik kerja sehingga harus diambil dari data terverifikasi alat. Jika jalur memuat fluida lain, data massa jenis pada temperatur dan tekanan aktual harus digunakan; kondisi, satuan, serta identitas fluida dicatat ketika memakai data properti.

Titik kerja berada pada pertemuan pompa dan jaringan

Kurva pompa (pump curve) adalah hubungan antara debit dan head yang dapat diberikan pompa pada kondisi putaran dan konfigurasi tertentu. Kurva sistem (system curve) adalah hubungan antara debit dan head yang dibutuhkan jaringan untuk mengalirkan debit itu. Titik kerja atau titik operasi (operating point) adalah pertemuan kedua hubungan tersebut. Karena itu, pertanyaan "berapa debit pompa?" tidak dijawab oleh satu label kapasitas saja: debit aktual muncul dari pompa yang terpasang, karakteristik jalur, dan keadaan operasi bersama-sama.

Ketika tahanan jalur bertambah, misalnya saringan makin kotor atau katup berada pada posisi berbeda dari asumsi rancangan, kurva sistem berubah. Perpotongannya dengan kurva pompa dapat bergeser, sehingga debit yang teramati dapat menurun sekalipun motor terus berputar. Penukar panas pun berkontribusi terhadap tahanan sisi fluida, dan penurunan tekanan salah satu fluida dapat melampaui nilai yang diizinkan dalam desain. Maka pemeriksaan termal tidak cukup jika sisi hidrauliknya diabaikan.

Sistem pengaturan dapat mengubah laju alir atau kondisi pompa, dengan konsekuensi terhadap head, daya, dan kendali proses. Posisi katup dan setelan kecepatan harus mengikuti prosedur operasi yang disetujui serta batas komponen; pembatasan aliran sembarang dapat memindahkan operasi ke wilayah yang belum dievaluasi. Untuk perencanaan, kurva pompa yang sesuai unit dan kecepatan dibandingkan dengan kurva sistem; contoh hitung bab ini tidak menentukan titik kerja unit tertentu. Kurva dibaca dalam konteks ukuran impeler, kecepatan putar, sifat fluida, dan kondisi uji, karena kurva dari model lain atau lembar data yang tidak sesuai menghasilkan kesimpulan palsu. Bila debit, head, daya, dan keadaan sistem tidak konsisten, jangan pilih satu parameter yang tampak meyakinkan lalu menutupi selisih yang lain; catat alat ukur, lokasi, kondisi proses, dan ketidakpastian lebih dulu.

Pada sisi isap, tekanan lokal perlu tetap cukup untuk mencegah penguapan cairan. Tekanan uap (vapor pressure) adalah tekanan keseimbangan yang berkaitan dengan pembentukan fase uap pada temperatur tertentu. Kavitasi (cavitation) adalah pembentukan rongga uap ketika tekanan lokal turun, lalu keruntuhan rongga saat kondisi tekanan berubah. Gejalanya dapat mencakup suara dan getaran, tetapi gejala itu tidak cukup untuk memastikan penyebab. Batas tekanan isap yang diperlukan bergantung pada karakteristik unit, cairan, temperatur, tata letak, dan data yang tidak disediakan di sini. Jangan menyimpulkan batas aman dari rumus sederhana atau bunyi saja.

Penukar panas memindahkan energi, bukan menjamin suhu sasaran

Penukar panas (heat exchanger) adalah peralatan yang memungkinkan energi termal berpindah di antara dua aliran dengan kondisi masuk yang berbeda. Dalam banyak susunan, fluida dipisahkan oleh dinding sehingga massa tidak bercampur, sementara energi melintasi permukaan. Ada berbagai konstruksi, termasuk susunan pipa dan pelat, dan pemilihan bentuk bergantung pada batas tekanan, temperatur, sifat fluida, kebutuhan pembersihan, dan kebutuhan proses. Keterangan umum ini tidak menetapkan pilihan konstruksi untuk layanan tertentu. Pada keadaan tunak, neraca energi sederhana menghubungkan laju panas yang dilepas aliran panas dengan yang diterima aliran dingin:

Di sini $\dot Q$ adalah laju perpindahan panas dalam watt, $\dot m$ laju aliran massa dalam kilogram per sekon, $c_p$ kapasitas panas jenis pada tekanan tetap dalam joule per kilogram-kelvin, dan $T_{in}$ serta $T_{out}$ temperatur masuk dan keluar dalam kelvin atau derajat Celsius untuk beda temperatur. Bentuk ini mengasumsikan satu fase, aliran tunak, kapasitas panas jenis yang cukup konstan pada rentang temperatur, dan perubahan energi kinetik serta potensial yang dapat diabaikan. Jika fluida mendidih, mengembun, bereaksi, atau berubah sifat secara berarti, bentuk sederhana tersebut tidak mencakup seluruh neraca.

Perhitungan neraca menguji konsistensi data, bukan membuktikan bahwa penukar panas nyata akan mencapai suhu keluar tertentu. Fouling atau pengotoran (fouling) adalah penumpukan lapisan atau deposit pada permukaan yang menambah tahanan perpindahan panas dan sering memengaruhi penurunan tekanan; fouling dan perbedaan rejim aliran menjadi pertimbangan dalam desain penukar. Distribusi aliran yang tidak merata, perubahan laju massa, sifat fluida yang berubah, atau kebocoran juga menjauhkan kinerja nyata dari model. Peningkatan beda temperatur terminal saja tidak menunjukkan bahwa permukaan penukar memiliki luas cukup.

Untuk penukar yang tidak mengalami perubahan fase, kapasitas panas aliran (heat capacity rate) adalah hasil kali $C=\dot m c_p$, dengan satuan watt per kelvin. Perbandingan kapasitas kedua aliran menjelaskan mengapa satu sisi mengalami perubahan suhu yang lebih besar. Beda temperatur rata-rata logaritmik (log mean temperature difference) adalah beda temperatur pendorong efektif yang menghubungkan beban panas, luas permukaan, dan koefisien perpindahan panas menyeluruh:

$\Delta T_1$ dan $\Delta T_2$ adalah beda temperatur di kedua ujung penukar dalam kelvin, $A$ luas permukaan dalam meter persegi, dan $U$ koefisien perpindahan panas menyeluruh dalam watt per meter persegi-kelvin. Metode ini dipakai pada kondisi yang sesuai, dengan asumsi sifat fluida dan laju aliran konstan; detail geometri lintasan dapat memerlukan koreksi yang tidak dibahas di sini. Nilai $U$ yang diasumsikan untuk hitungan tidak boleh dipakai memilih atau menyetujui penukar tertentu tanpa data fluida, bahan, susunan, fouling, tekanan, dan batas desain.

Dua alat, satu jaringan utilitas

Kembali ke air pendingin yang debitnya turun dan prosesnya menghangat. Pompa menanggapi tahanan yang dilihatnya; penukar membawa tahanan hidraulik sekaligus tugas termal. Bila aliran turun, beban panas yang dapat dibawa aliran biasanya ikut turun untuk beda temperatur yang sama. Kenaikan temperatur keluar dapat terjadi bersamaan dengan penurunan debit, tetapi kedua gejala itu belum menunjukkan penyebabnya: beban panas proses yang meningkat atau temperatur masuk sisi dingin yang berubah juga dapat berpengaruh, sensor mungkin menyimpang, atau kemampuan perpindahan panas penukar menurun. Diagnosis perlu membandingkan kedua sisi dan keadaan sebelum serta sesudah perubahan.

Tetapkan baseline yang sepadan: debit, tekanan masuk dan keluar pompa, temperatur masuk dan keluar kedua sisi penukar, keadaan katup atau kontrol yang relevan, serta beban proses. Bandingkan hanya data pada satuan dan waktu pengambilan yang diketahui. Perubahan beda tekanan pada penukar baru bermakna bila debit dan konfigurasi pengukuran juga diketahui. Jika debit turun dan beda tekanan penukar berubah, sumbatan atau distribusi aliran patut ditelaah; jika beda tekanan relatif serupa tetapi debit dan head pompa menyimpang, jalur atau kinerja pompa memerlukan pemeriksaan lebih lanjut. Ini hipotesis pembeda, bukan diagnosis final.

Daya hidraulik merupakan energi mekanik yang dialirkan ke fluida, dan sebagian energi itu akhirnya berubah menjadi panas akibat rugi di pompa dan jalur, tetapi data bab ini belum cukup untuk menghitung kenaikan suhunya. Menganggap semua daya pompa menjadi beban termal pada satu titik atau menganggap seluruh panas proses melewati satu permukaan adalah penyederhanaan yang perlu dibuktikan dengan batas sistem.

Pada loop air pendingin, neraca aliran dan energi menunjukkan apakah kombinasi debit serta suhu masuk-keluar konsisten dengan beban terukur. Pada sistem pemanas, logika serupa berlaku dengan arah perpindahan panas berbalik, sementara pompa atau sirkulasi mengatasi rugi dan distribusi. Kondisi iklim atau sifat fluida lokal dapat mengubah beban dan kinerja, dan angka ambang desain harus mengikuti dokumen yang berlaku untuk fasilitas. Kode serta edisi standar berbeda menurut yurisdiksi dan perlu diverifikasi untuk proyek aktual.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Semua contoh membaca catatan atau instrumen yang sudah terpasang; pengubahan setelan, pembukaan peralatan, dan pengamatan dekat peralatan yang berubah mengikuti bagian Kondisi berhenti. Massa jenis air diambil $\rho=1000\ \text{kg/m}^3$, $g=9{,}81\ \text{m/s}^2$, dan $c_p=4180$ J/(kg K) sebagai asumsi hitung, bukan nilai universal untuk semua keadaan.

Contoh 1: head pompa air panas dari dua manometer. Pompa sirkulasi air panas hotel mengalirkan 5,0 L/s. Manometer isap pada pipa 65 mm membaca 50 kPa ukur, dan manometer tekan pada pipa 50 mm, 0,3 m lebih tinggi, membaca 330 kPa ukur. Kecepatan rata-rata 1,51 m/s di sisi isap dan 2,55 m/s di sisi tekan. Di antara kedua manometer hanya ada pompa, sehingga $h_L$ pipa diabaikan:

Suku tekanan menyumbang hampir seluruh head, tetapi tanpa suku kecepatan dan elevasi hasilnya meleset 0,5 m. Pasangan 29,1 m dan 5,0 L/s itulah yang dibandingkan dengan kurva pompa dari dokumen unit, bukan pembacaan 330 kPa saja.

Contoh 2: daya pompa transfer air bersih rumah sakit. Pompa transfer mengisi tangki atap rumah sakit dari tangki bawah tanah. Kedua tangki terbuka, beda elevasi permukaan 35 m, rugi jalur pada 3,0 L/s sebesar 7 m, dan efisiensi pompa pada titik kerja itu 0,60. Head $H_p=35+7=42$ m, sehingga

Daya poros sekitar 2,06 kW, dan daya listrik motor lebih besar lagi. Elevasi menyumbang 83 persen head, sehingga membersihkan saringan hanya dapat mengurangi bagian rugi 7 m. Efisiensi 0,60 berlaku pada titik kerja itu saja dan dibaca dari kurva unit.

Contoh 3: neraca kalor dua aliran air. Aliran panas berupa air bergerak pada $0{,}50\ \text{kg/s}$ dan mendingin dari $60^\circ\text{C}$ menjadi $45^\circ\text{C}$. Laju panas yang dilepas kira-kira:

Jika aliran dingin juga air dengan laju massa $0{,}75\ \text{kg/s}$, dan kehilangan panas ke lingkungan diabaikan, kenaikan temperaturnya $\Delta T_c=31350/(0{,}75\times4180)=10\ \text{K}$; bila masuk pada $25^\circ\text{C}$, ia keluar pada kira-kira $35^\circ\text{C}$. Penurunan suhu aliran panas 15 K dan kenaikan suhu aliran dingin 10 K tidak perlu sama, sebab laju massanya berbeda; yang seimbang pada asumsi ini adalah laju energinya.

Contoh 4: penukar pemulihan panas air buangan laundry. Air buangan bilas 1,0 kg/s didinginkan dari 55 °C ke 35 °C untuk memanaskan air bersih 1,2 kg/s yang masuk pada 28 °C. Laju panas dan kapasitas panas aliran:

Air bersih naik $83600/5016=16{,}7$ K menjadi sekitar 44,7 °C; sisi ini berubah suhu lebih sedikit karena kapasitas panasnya lebih besar. Bila kemudian air bersih hanya keluar pada 38 °C dengan debit yang sama, beban yang diterima tinggal 50,2 kW atau 60 persen, dan air buangan seharusnya keluar sekitar 43 °C. Jika sensor sisi buangan memang membaca dekat 43 °C, kedua sisi konsisten dan perpindahan panas memang berkurang. Fouling menjadi salah satu hipotesis yang diperiksa bersama debit dan beda tekanan penukar, bukan kesimpulan.

Contoh 5: neraca kalor yang tidak menutup di dapur. Penukar pelat memanaskan air bilas mesin cuci piring dapur hotel dengan air panas dari pemanas pusat. Sisi panas 0,30 kg/s turun dari 80 °C ke 60 °C, sedangkan sisi dingin 0,20 kg/s masuk pada 25 °C. Neraca memberi $\dot Q=(0{,}30)(4180)(20)=25080$ W, sehingga sisi dingin seharusnya naik $25080/(0{,}20\times4180)=30$ K menjadi 55 °C. Sensor sisi dingin ternyata membaca 65 °C, yang setara 33,4 kW, sepertiga lebih besar daripada panas yang dilepas sisi panas. Tanpa sumber panas lain, angka itu tidak mungkin. Salah satu sensor suhu atau meter debit menyimpang, sehingga data diverifikasi dulu sebelum setelan pemanas atau katup diubah.

Contoh 6: koefisien menyeluruh penukar air panas rumah sakit. Penukar air panas berlawanan arah di rumah sakit memindahkan 60 kW dengan beda temperatur ujung 30 K dan 15 K, dan luas permukaannya 4,0 m² menurut dokumen unit. Dari bentuk $A=\dot Q/(U\Delta T_{lm})$:

Bila catatan komisioning memberi $U$ sekitar 900 W/(m²K) pada debit yang sebanding, koefisien turun sekitar 23 persen. Penurunan itu sejalan dengan fouling, tetapi juga dengan debit atau distribusi aliran yang berubah, sehingga debit dan beda tekanan kedua sisi dibandingkan lebih dulu. Pembersihan atau pembukaan penukar adalah pekerjaan personel berwenang, sesuai butir 8 di bagian Kondisi berhenti.

Kondisi berhenti

Perhitungan membantu memeriksa neraca, tetapi tidak memberi izin untuk mengubah setelan atau membuka peralatan. Sistem pompa dan penukar dapat menyimpan tekanan, panas, energi listrik, dan energi mekanik: cairan panas dapat menyebabkan luka bakar, kebocoran fluida proses dapat membawa risiko yang tidak diketahui, dan poros berputar dapat melukai orang. Pekerjaan pada sistem bertekanan, bertemperatur, berputar, atau berenergi harus menunggu safety gate dan kewenangan kerja, dan angka OEM tidak boleh digeneralisasi. Pada keadaan butir 1 sampai 5, hentikan pengamatan dekat peralatan dan eskalasikan kepada petugas yang berwenang; butir 6 sampai 8 menyebut tindakannya sendiri.

1. Terlihat kebocoran, semprotan, atau uap tak terkendali.
2. Getaran atau suara berubah mendadak. Gejala itu tidak membuktikan kavitasi, dan batas aman tidak disimpulkan dari rumus sederhana atau bunyi saja.
3. Temperatur atau tekanan mendekati batas yang tertera pada dokumen unit, atau alarm atau trip proteksi muncul.
4. Pelindung komponen berputar tidak terpasang.
5. Alat ukur menunjukkan nilai di luar rentang yang disetujui.
6. Tidak ada data batas unit yang sah, atau angka pengukuran seperti tekanan isap diragukan. Tahan keputusan operasi sampai data diverifikasi; nilai batas harus berasal dari dokumen yang teridentifikasi, sesuai dengan unit terpasang, dan disahkan untuk penggunaan yang dimaksud.
7. Neraca kalor tidak menutup, atau debit, head, dan daya tidak konsisten dengan kurva, sedangkan yang direncanakan adalah mengubah posisi katup, setelan kecepatan, atau setelan pemanas. Data diverifikasi dulu, dan perubahan hanya mengikuti prosedur operasi yang disetujui serta batas komponen.
8. Penurunan koefisien menyeluruh atau perubahan beda tekanan penukar mengarah ke pembersihan atau pembukaan penukar. Pekerjaan itu dilakukan personel berwenang melalui prosedur fasilitas.

Pada keadaan butir 1 sampai 5, jangan menyentuh sambungan, membuka penutup, melonggarkan baut, memaksa katup, atau mencoba menghidupkan ulang untuk menguji dugaan. Amankan area dan lakukan isolasi energi hanya melalui prosedur fasilitas dan personel yang diberi wewenang. Untuk keputusan pada unit terpasang, hitungan harus dibandingkan dengan data unit yang dapat ditelusuri dan izin kerja yang sesuai.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Tekanan dan debit dibahas di Bab 1, dan persamaan energi dengan rugi tekan di Bab 2 tentang Bernoulli dan sistem perpipaan. Kapasitas panas ada di Bab 10 · Fisika tentang kalor, suhu, dan perpindahan panas. Kurva pompa dan NPSH dibahas di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas tentang pompa air gedung, kavitasi dan getaran pompa di Bab 12 tentang pompa dalam operasi, dan udara terperangkap di Bab 6 tentang udara dan gas di jalur cairan. Pemeriksaan penukar dengan LMTD, pengotoran, dan pembersihan diteruskan di Bab 7 tentang penukar panas dalam praktik, dan isolasi energi panas dan tekanan di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.

Latihan dan pembahasan

Kerjakan dengan satuan konsisten dan anggap sistem setiap soal tunak kecuali disebutkan lain. Asumsi yang tidak tertulis pada soal perlu disebutkan sebelum menarik kesimpulan.