Proyek integratif: neraca utilitas laundry rumah sakit, dari uap, kondensat, dan air umpan sampai udara tekan, listrik, dan bahan bakar

Sebuah rumah sakit 200 tempat tidur memindahkan laundry-nya ke gedung servis baru. Bab 18 · Bangunan & Fasilitas tentang ruang laundry rumah sakit di rak Bangunan sudah menyiapkan ruangnya: air bersih, air panas, buangan, aliran balik, ventilasi, dan kebakaran untuk empat washer-extractor, tiga pengering, dan satu setrika gulung. Sebelum boiler, kompresor, dan genset dipesan, manajemen meminta satu lembar jawaban: berapa uap, bahan bakar, air umpan, udara tekan, dan listrik yang diperlukan, dan berapa kapasitas peralatan yang harus dibeli.

Pertanyaan itu tidak dapat dijawab dengan menjumlahkan angka pelat nama. Pelat nama menunjukkan kemampuan tertinggi setiap mesin, sedangkan pemakaian nyata ditentukan oleh linen yang diproses, program cuci, kelembapan linen, dan berapa banyak mesin bekerja bersamaan. Bab ini menyusun neraca dari kebutuhan proses ke peralatan utilitas, memakai bab-bab sebelumnya rak ini, sehingga setiap angka dapat dilacak asalnya.

Batas pembahasan

Bab ini adalah proyek latihan yang menggabungkan rak Utilitas dengan rak Laundry dan rak Bangunan. Semua data proyek adalah data latihan; sifat uap dari tabel IAPWS-IF97 di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap. Kebutuhan panas per siklus cuci dijelaskan di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry, neraca utilitas umum di Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas, dan efisiensi serta penilaian proyek di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry. Pemilihan akhir boiler, katup pengaman, kompresor, genset, dan kabel dilakukan perencana yang berwenang dengan data pabrik dan peraturan yang berlaku; bab ini menyiapkan angka dan pertanyaan untuk mereka, bukan keputusan akhirnya.

Data proyek

Data diambil dari Bab 18 · Bangunan & Fasilitas dan ditambah data utilitas, semuanya data latihan:

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit mencatat sekitar 2 bar untuk washer dan pengering dan sekitar 8 bar untuk setrika gulung. Neraca ini memakai satu header 8 bar dengan katup penurun tekanan ke pengguna bertekanan rendah, seperti susunan di Bab 5 tentang distribusi uap.

Urutan kerja

1. Hitung kebutuhan panas setiap pengguna per hari dari prosesnya, bukan dari pelat nama.
2. Jumlahkan, tambahkan kehilangan distribusi, dan ubah menjadi laju uap rata-rata dan puncak.
3. Tentukan kapasitas boiler pada tekanan kerja dan suhu air umpan yang sebenarnya.
4. Susun neraca air umpan: kondensat yang dapat kembali, air pengganti, dan blowdown.
5. Hitung bahan bakar dan intensitas energi per kilogram linen, dengan dan tanpa pengembalian kondensat.
6. Susun kebutuhan udara tekan dan listrik.
7. Baca seluruh neraca sebagai satu sistem, catat kehilangan terbesar dan peluang perbaikannya.
8. Serahkan angka dan pertanyaan terbuka kepada perencana dan pihak berwenang.

Kebutuhan panas per pengguna

Air panas. Air panas $0{,}4 \times 12 = 4{,}8$ m³ per hari dipanaskan dari 28 ke 60 °C di tangki berpemanas uap: $4.800 \times 4{,}19 \times 32/3.600 = 179$ kWh per hari.

Injeksi uap di washer. Setiap muatan memerlukan $200 \times 4{,}19 \times 25 \times 1{,}2 = 25.140$ kJ. Untuk 24 muatan: $25.140 \times 24/3.600 = 168$ kWh per hari. Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry menghitung kebutuhan seperti ini secara rinci per siklus.

Pengering. Linen ke pengering $0{,}6 \times 1.200 = 720$ kg dengan kelembapan sisa 50 persen, sehingga air yang diuapkan $720 \times 0{,}5 = 360$ kg per hari, dan energinya $360 \times 1{,}5 = 540$ kWh per hari.

Setrika gulung. Linen datar $0{,}4 \times 1.200 = 480$ kg dengan kelembapan sisa 45 persen: air diuapkan sekitar 216 kg, energinya sekitar 216 kWh per hari.

Catatan kadar air keluar setrika. Angka 216 kg menganggap linen keluar dari setrika benar-benar kering, sehingga menjadi batas atas. Bab 29 · Laundry tentang setrika gulung dalam produksi mencatat kadar air linen 2 sampai 4 persen lima menit sesudah setrika menurut manual setrika satu silinder, dan menghitung neraca ini dengan angka itu: air yang diuapkan 196,8 sampai 206,4 kg, sekitar 197 sampai 206 kg per hari. Selisihnya 10 sampai 19 kg air, atau sekitar 10 sampai 19 kWh, kurang dari 2 persen kebutuhan 1.213 kWh, sehingga tabel di bawah tetap memakai 216 kWh sebagai pembulatan ke arah aman. Contoh 6 menunjukkan hitungannya.

Pengering adalah pengguna terbesar, dan kebutuhannya ditentukan langsung oleh air yang tertinggal di linen setelah pemerasan. Setiap persen kelembapan sisa yang dikurangi di washer-extractor mengurangi beban pengering dan setrika, seperti di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry.

Neraca uap dan kapasitas boiler

Dengan kalor laten uap 8 bar sekitar 2.030 kJ/kg dari Bab 3 tentang sifat uap, uap yang diperlukan:

$m = \frac{1.213 \times 3.600}{2.030} \approx 2.150 \text{ kg per hari}$

dengan $m$ massa uap per hari (kg), 1.213 kebutuhan panas termasuk kehilangan distribusi (kWh per hari), 3.600 kJ per kWh, dan 2.030 kalor laten (kJ/kg). Rumus ini menganggap kondensat keluar dari pengguna sebagai air jenuh.

Selama 8 jam efektif, rata-ratanya sekitar 269 kg/jam. Pemakaian tidak rata: pengering, setrika, dan pengisian washer dapat terjadi bersamaan, dan pemanasan pagi hari menambah beban pipa dan peralatan dingin, seperti di Bab 5 tentang distribusi uap. Faktor puncak (peak factor) adalah perbandingan laju puncak terhadap laju rata-rata. Dengan faktor puncak 2, yang juga data latihan, laju puncak sekitar 540 kg/jam.

Kapasitas boiler di pelat nama sering dinyatakan dari dan pada 100 °C, seperti di Bab 4 tentang boiler. Boiler berkapasitas 1.000 kg/jam dari dan pada 100 °C menghasilkan sekitar 915 kg/jam uap 8 bar dari air umpan sekitar 73 °C (Contoh 1), sehingga cukup untuk puncak 540 kg/jam dengan cadangan untuk pertumbuhan, pemanasan pagi, dan penurunan kinerja. Pemilihan satu boiler besar atau dua boiler lebih kecil adalah keputusan keandalan: dua boiler memungkinkan satu dirawat tanpa menghentikan laundry, seperti dibahas di Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas.

Air umpan, kondensat, dan blowdown

Tidak semua uap kembali sebagai kondensat. Uap yang diinjeksikan langsung ke bak washer bercampur dengan air cuci dan ikut terbuang, sekitar $168 \times 3.600/2.030 = 297$ kg per hari, sekitar 14 persen uap harian. Sisanya, sekitar 1.853 kg per hari dari tangki air panas, pengering, dan setrika, dapat dikembalikan bila jalurnya dibuat. Bila 85 persen dari jumlah itu benar-benar kembali, juga data latihan, kondensat yang kembali sekitar 1.575 kg per hari. Air pengganti (make-up water) adalah air baru yang ditambahkan ke air umpan untuk menggantikan uap dan blowdown yang tidak kembali sebagai kondensat. Air umpan sama dengan uap ditambah blowdown, seperti di Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown, sehingga air pengganti adalah selisih uap dan kondensat, 575 kg per hari, ditambah blowdown sekitar 36 kg per hari, yaitu sekitar 611 kg per hari, dan air umpan sekitar 2.186 kg per hari.

Dengan kondensat 90 °C dan air pengganti 28 °C, suhu air umpan campuran sekitar:

$T_{\text{umpan}} = \frac{1.575 \times 90 + 611 \times 28}{2.186} \approx 73 \text{ °C}$

dengan massa per hari (kg) sebagai bobot setiap suhu (°C); rumus ini menganggap kalor jenis kedua aliran sama dan kehilangan panas di tangki diabaikan.

Kondensat juga menurunkan TDS air umpan. Dengan air pengganti ber-TDS 150 mg/L, kondensat 10 mg/L, dan TDS air boiler dijaga 3.000 mg/L, TDS air umpan sekitar 49 mg/L dan blowdown sekitar 36 kg per hari, dengan rumus di Bab 6; karena blowdown ikut menentukan air pengganti, hitungannya diulang sampai angkanya tidak berubah (Contoh 2). Tanpa kondensat kembali, blowdown akan sekitar tiga kali lebih besar. Materi pelatihan boiler menggambarkan kondensat dialirkan ke pembuangan; neraca ini menunjukkan nilai yang hilang bila susunan itu dipertahankan.

Bahan bakar dan intensitas energi

Panas yang diserap uap di boiler adalah $m(h_g - h_{\text{umpan}})$, dengan $h_g$ entalpi uap dan $h_{\text{umpan}}$ entalpi air umpan (kJ/kg). Dengan efisiensi boiler 85 persen dan elpiji bernilai kalor sekitar 46 MJ/kg, angka kasar yang lazim dipakai:

Pengembalian kondensat menghemat sekitar 10 kg elpiji per hari, ditambah sekitar 1,6 m³ air lunak dan bahan kimianya (Contoh 3 dan 4). Intensitas energi (energy intensity) adalah energi bahan bakar atau listrik dibagi jumlah linen yang diproses. Intensitas energi bahan bakar menjadi sekitar $1.732/1.200 = 1{,}44$ kWh per kg linen, dan intensitas air sekitar 10 L per kg linen. Angka ini dipakai sebagai angka dasar untuk memantau kinerja setelah laundry berjalan, seperti di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry.

Udara tekan

Pemakai udara tekan di laundry ini adalah katup pneumatik washer, silinder dan pengumpan setrika gulung, pelipat, dan pistol pembersih. Dari data pabrik, kebutuhan rata-rata sekitar 0,4 m³/menit udara bebas pada 6 bar di mesin terjauh, ditambah kebocoran yang diharapkan sekitar 0,1 m³/menit setelah sistem baru; keduanya data latihan. Satu kompresor sekrup 1,2 m³/menit memberi cadangan untuk puncak, dengan tangki penerima yang dihitung seperti di Bab 7 tentang udara tekan. Dengan daya spesifik 8,3 kW per m³/menit, energinya sekitar $0{,}5 \times 8{,}3 \times 10 = 42$ kWh per hari untuk 10 jam kerja termasuk persiapan. Pengering pendinginan dipilih karena pipa udara tidak melewati ruang dingin, dan pembuang kondensat berbasis level dipilih untuk menghindari pemborosan dari pembuang berpewaktu, seperti di Bab 8 tentang kebocoran udara tekan.

Listrik dan daya cadangan

Kebutuhan listrik harian disusun dari data pabrik dan jam kerja, juga data latihan:

Intensitas listriknya sekitar $300/1.200 = 0{,}25$ kWh per kg linen. Beban puncak yang penting untuk genset dan panel bukan jumlah harian, melainkan beban yang dapat bekerja bersamaan, termasuk arus asut motor; bila beban puncak bersamaan sekitar 60 kW, genset berukuran sekitar $60/0{,}8 = 75$ kVA pada faktor daya 0,8 sebelum cadangan asut, dan ukuran akhirnya ditentukan perencana listrik seperti di rak Kelistrikan. Materi pelatihan boiler dan genset memakai perkiraan kasar konsumsi solar 0,21 L per kVA per jam; angka itu mendekati pemakaian pada beban penuh, sehingga untuk genset yang lebih sering bekerja pada beban sebagian, pemakaian per jamnya lebih kecil tetapi pemakaian per kWh lebih besar. Boiler juga memerlukan listrik untuk pompa, blower, dan pengendalinya, sehingga genset harus melayani boiler bila laundry harus tetap bekerja saat listrik padam.

Membaca neraca sebagai satu sistem

Neraca yang lengkap menunjukkan hubungan yang tidak terlihat dari satu peralatan saja:

1. Pemerasan menentukan bahan bakar. Pengering dan setrika memakai sekitar 69 persen panas berguna. Washer-extractor dengan pemerasan lebih kering mengurangi beban itu lebih murah daripada boiler yang lebih efisien.
2. Kondensat menentukan air umpan, blowdown, dan bahan bakar sekaligus, seperti terlihat pada perbandingan air umpan 28 dan 73 °C.
3. Puncak menentukan kapasitas, rata-rata menentukan biaya. Boiler dan kompresor dipilih untuk puncak dengan cadangan; biaya bahan bakar dan listrik ditentukan oleh rata-rata.
4. Listrik dan bahan bakar saling bergantung. Boiler tidak bekerja tanpa listrik, dan kompresor tidak bekerja tanpa listrik, sehingga daya cadangan menentukan apakah laundry dapat bekerja saat listrik padam.
5. Selisih neraca adalah petunjuk. Setelah laundry berjalan, bahan bakar, air umpan, dan listrik yang lebih besar daripada neraca ini menunjukkan kehilangan yang dicari dengan cara di bab-bab sebelumnya: perangkap yang bocor, kondensat yang tidak kembali, kebocoran udara, atau pengering yang berjalan terlalu lama. Aliran pengganti ditambahkan untuk mengimbangi kehilangan penguapan, blowdown, dan kehilangan lain dari sistem, sehingga air pengganti yang naik adalah tanda pertama kehilangan.

Keputusan yang diserahkan kepada perencana dan pihak berwenang

Neraca ini menghasilkan daftar pertanyaan untuk perencana dan pihak berwenang:

1. Jenis, jumlah, kapasitas, dan tekanan rancang boiler, beserta izin pemakaian dan operatornya menurut peraturan uap, seperti di Bab 4 tentang boiler.
2. Ukuran header, pipa distribusi, stasiun penurun tekanan, perangkap, dan jalur kondensat kembali.
3. Program pengolahan air umpan dan boiler, dan alat kendali blowdown.
4. Kompresor, tangki penerima sebagai bejana tekan, pengering, dan jaringan udara.
5. Ukuran genset, sakelar pemindah, dan pembagian beban yang harus tetap hidup saat listrik padam.
6. Letak ruang boiler, cerobong, ventilasi, dan jarak dari bahan mudah terbakar, terkait proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran.
7. Meter yang dipasang sejak awal: bahan bakar, air pengganti, air umpan, kondensat kembali, listrik per kelompok, dan udara tekan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Entalpi uap dan air adalah nilai tabel uap IAPWS-IF97, dan nilai kalor elpiji 46 MJ/kg adalah angka kasar yang lazim dipakai.

Contoh 1: kapasitas boiler. Boiler berkapasitas 1.000 kg/jam dari dan pada 100 °C ($h_{fg} = 2.256$ kJ/kg) menghasilkan uap 8 bar ($h_g = 2.773$ kJ/kg) dari air umpan 73 °C ($h \approx 307$ kJ/kg) sebanyak $1.000 \times 2.256/(2.773 - 307) = 915$ kg/jam.

Contoh 2: blowdown. TDS air umpan $(611 \times 150 + 1.575 \times 10)/2.186 \approx 49$ mg/L. Blowdown $2.150 \times 49/(3.000 - 49) \approx 36$ kg per hari, bila TDS air boiler dijaga 3.000 mg/L. Air pengganti $2.150 + 36 - 1.575 = 611$ kg per hari, sama dengan angka di rumus suhu air umpan; angka ini didapat dengan mengulang hitungan dari 575 kg sampai tidak berubah lagi.

Contoh 3: bahan bakar tanpa kondensat kembali. Panas yang diserap uap $2.150 \times (2.773 - 118)/3.600 = 1.586$ kWh per hari; bahan bakar $1.586/0{,}85 = 1.866$ kWh, yaitu sekitar $1.866 \times 3.600/46.000 = 146$ kg elpiji per hari.

Contoh 4: nilai tahunan kondensat kembali. Selisih sekitar 10 kg elpiji per hari selama 300 hari, pada Rp15.000/kg, sekitar $10 \times 300 \times 15.000 = 45.000.000$ rupiah per tahun, ditambah sekitar $1{,}6 \times 300 = 480$ m³ air lunak setahun.

Contoh 5: genset. Beban puncak bersamaan 60 kW pada faktor daya 0,8 memerlukan sekitar 75 kVA sebelum cadangan arus asut. Dengan aturan kasar 0,21 L per kVA per jam dari materi pelatihan, genset 75 kVA pada beban penuh memakai sekitar $0{,}21 \times 75 = 15{,}8$ L solar per jam; pada beban sebagian pemakaiannya lebih kecil per jam.

Contoh 6: air setrika bila linen keluar 2 sampai 4 persen. Linen datar 480 kg masuk setrika pada 45 persen. Bila keluar kering, airnya $0{,}45 \times 480 = 216$ kg. Bila keluar 4 persen, $(0{,}45 - 0{,}04) \times 480 = 196{,}8$ kg, dan bila keluar 2 persen, $(0{,}45 - 0{,}02) \times 480 = 206{,}4$ kg, seperti di Bab 29 · Laundry tentang setrika gulung dalam produksi. Dengan 1,0 kWh per kg air, jumlah panas berguna menjadi sekitar 1.083 sampai 1.093 kWh per hari, kebutuhan dengan kehilangan distribusi 1.192 sampai 1.202 kWh, dan uap sekitar 2.113 sampai 2.132 kg per hari, sedikit di bawah 2.150 kg. Laju puncak dengan faktor 2 menjadi sekitar 528 sampai 533 kg/jam, sehingga pilihan boiler di bab ini tidak berubah.

Kondisi berhenti

Hentikan proyek atau tandai sebagai belum siap, dan serahkan keputusannya kepada perencana dan pihak berwenang, bila:

1. Data proses, seperti linen per hari, program cuci, dan kelembapan sisa setelah pemerasan, belum diukur atau masih tebakan yang tidak ditandai.
2. Kapasitas boiler dipilih dari jumlah pelat nama tanpa neraca, atau tanpa memperhitungkan suhu air umpan dan tekanan kerja.
3. Boiler, bejana tekan, atau katup pengaman akan dipesan tanpa perencana dan tanpa memeriksa persyaratan izin.
4. Jalur kondensat kembali dirancang tanpa pemantauan pencemaran kondensat.
5. Genset tidak dirancang untuk melayani beban yang harus tetap bekerja, termasuk pompa dan blower boiler, padahal laundry harus tetap bekerja saat listrik padam.
6. Meter utama tidak direncanakan, sehingga neraca tidak dapat diperiksa setelah laundry berjalan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 18 · Bangunan & Fasilitas tentang ruang laundry rumah sakit menyiapkan ruang laundry yang sama, Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap memberi tabel uap, Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry memberi kebutuhan panas per siklus, Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas memberi neraca utilitas, dan Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry memberi penilaian penghematan. Sisi uap dibahas di Bab 5 tentang distribusi uap, Bab 4 tentang boiler, dan Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown, keandalan di Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas, sisi udara di Bab 7 tentang udara tekan dan Bab 8 tentang kebocoran udara tekan, dan proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran.

Bab 29 · Laundry tentang setrika gulung dalam produksi membahas kadar air linen masuk dan keluar menurut manual, kapasitas penguapan, dan energi per kilogram air. Rasio daya pemanas terhadap kapasitas penguapan pada manual-manual di bab itu, 0,86 sampai 1,11 kWh per kg air, mengapit angka sekitar 1,0 kWh per kg yang dipakai neraca ini.

Latihan dan pembahasan

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