Sifat uap dan tabel uap: tekanan ukur dan mutlak, suhu jenuh, entalpi, kualitas uap, uap superpanas, dan uap kilat

Linen keluar dari setrika gulung sebuah laundry rumah sakit masih lembap, dan operator harus memperlambat setrika sampai produksinya turun sekitar seperlima. Panel boiler menunjukkan 8 bar, sesuai setelan. Manometer di saluran masuk setrika hanya menunjukkan 5,5 bar. Teknisi yang memeriksa menganggap selisih itu tidak penting: uap tetaplah uap, dan selama masih ada tekanan, panasnya sama.

Tabel uap menunjukkan sebaliknya. Pada tekanan ukur 8 bar, uap jenuh bersuhu sekitar 175 °C; pada 5,5 bar, sekitar 162 °C. Selisih 13 °C itu mengurangi beda suhu antara silinder setrika dan linen basah, sehingga linen yang sama memerlukan waktu lebih lama untuk kering. Penyebab turunnya tekanan, yaitu pipa yang terlalu kecil dan katup yang setengah tertutup, dicari di Bab 5 tentang distribusi uap. Bab ini memberi bekal untuk membaca angka-angka uap dengan benar, karena tanpa itu teknisi tidak tahu apakah sebuah pembacaan normal atau tidak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas uap air jenuh dan sedikit superpanas yang dipakai di laundry, dapur, dan gedung: washer-extractor dengan pemanas uap, pengering, setrika gulung, mesin pencuci piring dengan pemanas uap, dan penukar panas air panas. Dasar termodinamika perubahan fase dan kalor laten ada di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, hukum pertama untuk aliran tunak, yang dipakai bab ini untuk pencekikan, ada di Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika, dan kebutuhan panas per siklus cuci ada di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry. Boiler dibahas di Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan, distribusi uap dan perangkap uap di Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat, dan pengolahan air boiler di Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown. Keselamatan uap, luka bakar, dan uap kilat dari sisi bahaya ada di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas. Angka tabel di bab ini dibulatkan untuk dibaca; perhitungan teliti memakai tabel lengkap.

Uap sebagai pembawa panas

Uap (steam) adalah air dalam fase uap, dan uap termasuk alat industri yang paling tua. Uap dipakai karena membawa banyak energi per kilogram, melepaskannya pada suhu yang hampir tetap ketika mengembun, dan mengalir sendiri dari boiler ke peralatan karena perbedaan tekanan, tanpa pompa.

Dua jenis kalor terlihat jelas pada air di tekanan atmosfer. Kalor sensibel (sensible heat) adalah kalor yang mengubah suhu tanpa mengubah fase: memanaskan 1 kg air dari 0 sampai 100 °C memerlukan sekitar 419 kJ. Kalor laten (latent heat) adalah kalor yang mengubah fase tanpa menaikkan suhu: mengubah 1 kg air mendidih menjadi uap pada 100 °C memerlukan sekitar 2.257 kJ, lebih dari lima kali lipat. Ketika uap mengembun di dalam pemanas, kalor laten itu dilepaskan kembali ke peralatan. Karena itulah uap yang mengembun pada dinding silinder setrika memberi panas yang besar pada suhu yang tetap.

Tekanan ukur dan tekanan mutlak

Tekanan ukur (gauge pressure) adalah tekanan di atas tekanan atmosfer, dan tekanan inilah yang ditunjukkan manometer di boiler dan peralatan, seperti dijelaskan di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis dan tekanan ukur. Tekanan mutlak (absolute pressure) adalah tekanan yang diukur dari ruang hampa, dan tabel uap memakai tekanan mutlak:

$p_{\text{mutlak}} = p_{\text{ukur}} + p_{\text{atm}}$

dengan tekanan atmosfer baku sekitar 1,013 bar. Manometer yang menunjukkan 2 bar berarti tekanan mutlak sekitar 3,01 bar. Kesalahan membaca tabel dengan tekanan ukur memberi suhu jenuh yang terlalu rendah, misalnya 120 °C alih-alih 134 °C pada contoh ini. Di bab ini, tekanan yang ditulis "bar" tanpa keterangan adalah tekanan ukur, sesuai yang dibaca teknisi di lapangan; tekanan mutlak ditulis "bar mutlak".

Suhu jenuh dan tabel uap

Air dan uap yang berada bersama dalam satu ruang tertutup berada pada suhu jenuh (saturation temperature), yaitu suhu didih air pada tekanan itu, dan suhu jenuh ditentukan oleh tekanan. Menaikkan tekanan menaikkan suhu didih. Inilah cara boiler mencapai suhu di atas 100 °C: tekanan dinaikkan, sehingga air mendidih pada suhu yang lebih tinggi.

Tabel uap (steam tables) adalah tabel yang memberi sifat cairan jenuh dan uap jenuh, dan contoh pembacaannya adalah suhu jenuh pada 2 MPa mutlak sekitar 212 °C.

Tabel ringkas di bawah dihitung dengan formulasi IAPWS-IF97 untuk tekanan ukur yang lazim di laundry:

Di laundry rumah sakit, washer dan pengering memakai uap sekitar 2 bar dan setrika gulung sekitar 8 bar, dengan suhu sekitar 133 dan 175 °C. Angka itu sesuai dengan baris 2 dan 8 bar pada tabel.

Entalpi air dan uap

Entalpi spesifik (specific enthalpy) adalah kandungan energi per kilogram air atau uap yang dipakai untuk neraca panas, diukur dari suatu keadaan acuan. Tiga kolom entalpi pada tabel dibaca sebagai berikut, dengan acuan air cair pada 0,01 °C:

1. $h_f$: entalpi air jenuh, yaitu kalor sensibel untuk memanaskan air sampai suhu jenuh.
2. $h_{fg}$: kalor laten penguapan pada tekanan itu.
3. $h_g = h_f + h_{fg}$: entalpi uap jenuh kering.

Ketika uap jenuh kering mengembun menjadi air jenuh pada tekanan yang sama, panas yang dilepaskan ke peralatan adalah $h_{fg}$. Tabel menunjukkan hal yang sering mengejutkan: semakin tinggi tekanan, semakin kecil kalor laten per kilogram, walaupun suhunya lebih tinggi. Uap 8 bar melepaskan sekitar 2.030 kJ/kg saat mengembun, sedangkan uap 2 bar sekitar 2.163 kJ/kg. Tekanan tinggi dipilih karena suhu tinggi diperlukan, misalnya untuk setrika, bukan karena membawa lebih banyak panas per kilogram.

Angka bulat 500 kcal/kg dipakai sebagai kalor laten uap untuk tekanan menengah, yaitu sekitar 2.093 kJ/kg. Angka itu berada di antara nilai tabel untuk 4 dan 5 bar, cukup untuk perkiraan cepat, tetapi tabel dipakai untuk perhitungan yang dicatat.

Volume jenis dan ukuran pipa

Volume jenis (specific volume) adalah volume per satuan massa; kolom $v_g$ adalah volume satu kilogram uap jenuh. Uap bertekanan rendah memakan ruang jauh lebih besar: 1 kg uap pada 0 bar mengisi sekitar 1,67 m³, sedangkan pada 8 bar hanya sekitar 0,21 m³. Untuk massa uap yang sama, pipa uap bertekanan rendah harus lebih besar agar kecepatannya tidak terlalu tinggi (Contoh 4). Inilah alasan uap sering didistribusikan pada tekanan tinggi lalu diturunkan di dekat peralatan: pipa distribusi menjadi lebih kecil dan kehilangan panasnya lebih sedikit.

Debit volume dan kecepatan uap dihitung dengan

$Q = \dot{m}\, v_g, \qquad u = \frac{Q}{A}$

dengan $Q$ debit volume (m³/s), $\dot{m}$ laju massa uap (kg/s), $v_g$ volume jenis (m³/kg), $u$ kecepatan (m/s), dan $A$ luas penampang dalam pipa (m²). Kecepatan uap jenuh di pipa distribusi sering dibatasi sekitar 25 sampai 35 m/s; di atas itu kebisingan, erosi, dan rugi tekan naik. Ukuran pipa dan rugi tekannya dibahas di Bab 5 tentang distribusi uap.

Kualitas uap dan uap basah

Uap yang keluar dari boiler sering membawa butiran air. Kualitas uap $x$ (steam quality) adalah fraksi massa uap dalam campuran; uap jenuh kering mempunyai $x = 1$, dan uap dengan $x = 0{,}95$ berisi 5 persen massa air. Entalpi uap basah:

$h = h_f + x\, h_{fg}$

Air yang terbawa tidak membawa kalor laten, sehingga uap basah memberi panas lebih sedikit per kilogram (Contoh 3). Akibat lain uap basah:

1. Lapisan air pada permukaan pemanas menghambat perpindahan panas.
2. Erosi pada katup, dudukan katup, dan belokan pipa oleh butiran air yang bergerak cepat.
3. Palu air bila air terkumpul dan didorong uap, seperti di Bab 5 tentang distribusi uap.
4. Kotoran boiler terbawa bersama air ke peralatan, seperti busa dan garam terlarut, yang dibahas di Bab 6 tentang pengolahan air boiler.

Uap basah dikurangi dengan menjaga level air boiler dan mutu air, memakai pemisah uap di pipa utama, membuang kondensat di titik rendah, dan mengisolasi pipa.

Uap superpanas dan pencekikan

Uap yang dipanaskan di atas suhu jenuhnya pada tekanan yang sama disebut uap superpanas (superheated steam). Uap superpanas tidak mengembun sampai suhunya turun kembali ke suhu jenuh, sehingga melepaskan panas sensibel lebih dulu dengan koefisien perpindahan panas yang jauh lebih kecil daripada uap yang mengembun. Untuk pemanasan proses di laundry dan dapur, uap jenuh kering atau sedikit superpanas lebih disukai; uap superpanas tinggi dipakai di pembangkit listrik dan turbin, bukan di peralatan laundry.

Sifat uap superpanas dibaca dari tabel uap superpanas, yang memberi entalpi dan volume pada pasangan tekanan dan suhu. Teknisi laundry jarang memerlukannya, kecuali untuk memahami uap setelah katup penurun tekanan.

Pencekikan di katup penurun tekanan

Pencekikan (throttling) adalah penurunan tekanan fluida ketika melewati katup yang menyempitkan aliran, tanpa kerja dan hampir tanpa kehilangan panas. Katup penurun tekanan dan katup yang setengah terbuka mencekik uap. Entalpi di masuk dan keluar katup pencekik sama. Akibatnya, uap jenuh kering yang dicekik ke tekanan lebih rendah menjadi sedikit superpanas, karena entalpinya lebih besar daripada $h_g$ pada tekanan rendah. Uap basah yang dicekik menjadi lebih kering. Karena alasan ini, katup penurun tekanan di dekat peralatan juga membantu mengeringkan uap.

Pada sistem pemipaan uap laundry rumah sakit, uap dari header melewati set katup penurun tekanan sebelum masuk ke peralatan. Pada kasus pembuka, tekanan 5,5 bar di setrika tidak berasal dari katup penurun tekanan yang disetel, melainkan dari rugi tekan pipa dan katup yang tidak terbuka penuh; hasilnya sama, yaitu suhu jenuh yang lebih rendah di setrika.

Uap kilat dari kondensat

Kondensat yang keluar dari peralatan berada pada suhu jenuh tekanan peralatan. Bila kondensat itu dilepaskan ke tekanan lebih rendah, misalnya ke saluran kondensat bertekanan atmosfer, sebagian langsung menguap menjadi uap kilat (flash steam). Fraksinya dihitung dari neraca energi:

$f = \frac{h_{f,1} - h_{f,2}}{h_{fg,2}}$

dengan $f$ fraksi massa kondensat yang menjadi uap kilat, indeks 1 untuk tekanan tinggi, dan indeks 2 untuk tekanan rendah. Kondensat dari setrika 8 bar yang dilepas ke tekanan atmosfer menghasilkan uap kilat sekitar 14 persen massanya (Contoh 5). Volumenya sangat besar karena terjadi pada tekanan rendah, sehingga pipa kondensat setelah perangkap berisi campuran air dan uap, bukan air saja. Dalam hitungan ukuran pipa untuk uap kilat, kecepatan uap kilat dianggap sekitar 15 m/s. Uap kilat juga menjadi sumber energi yang dapat dipakai ulang, seperti di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry, dan sumber luka bakar, seperti di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas.

Kebutuhan uap peralatan

Massa uap yang diperlukan peralatan dihitung dari panas yang diperlukan dan kalor laten pada tekanan kerjanya, bila kondensat keluar sebagai air jenuh:

$\dot{m} = \frac{\dot{Q}}{h_{fg}}$

dengan $\dot{m}$ laju uap (kg/s), $\dot{Q}$ laju panas yang diperlukan (kW), dan $h_{fg}$ kalor laten pada tekanan kerja (kJ/kg). Panas yang diperlukan untuk satu siklus cuci, termasuk air, linen, dan logam drum, dihitung di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry. Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas memakai kebutuhan uap seperti ini dalam neraca utilitas. Nilai $\dot{Q}$ peralatan dapat diambil dari pelat nama, data pabrik, atau pengukuran. Dua hal sering dilupakan: panas untuk memanaskan peralatan dan pipa dingin saat mulai pagi hari, yang dapat jauh lebih besar daripada beban tunak, dan kehilangan panas dari pipa yang tidak diisolasi.

Udara dan gas tak terkondensasi di dalam uap

Pipa dan peralatan yang dingin terisi udara. Ketika uap masuk, udara terdorong ke ujung pipa dan ke dalam peralatan, dan bila tidak dibuang, udara bercampur dengan uap. Gas tak terkondensasi (non-condensable gas) adalah gas, terutama udara, yang tidak mengembun pada suhu dan tekanan kerja sistem uap. Menurut hukum tekanan parsial di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal dan teori kinetik, tekanan total adalah jumlah tekanan uap dan tekanan udara. Manometer menunjukkan tekanan total, tetapi suhu ditentukan oleh tekanan parsial uap, sehingga campuran uap dan udara lebih dingin daripada suhu jenuh yang dibaca dari manometer (Contoh 6). Udara juga membentuk lapisan penghambat di permukaan pemanas.

Karena itu sistem uap memasang ven udara (air vent), yaitu katup yang membuang udara dari pipa dan peralatan uap, di ujung pipa utama dan di peralatan besar. Ven udara jenis tekanan seimbang adalah jenis yang paling banyak diterima. Ven udara yang tersumbat atau dilepas adalah salah satu penyebab peralatan lambat panas setelah dinyalakan pagi hari.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Sifat uap dibaca dari tabel di atas; untuk tekanan yang tidak ada di tabel, nilainya dari tabel lengkap yang dihitung dengan formulasi yang sama.

Contoh 1: setrika gulung pada kasus pembuka. Pada 8 bar suhu jenuh 175,4 °C; pada 5,5 bar (6,51 bar mutlak) dari tabel lengkap sekitar 162,1 °C. Bila permukaan linen yang menguap berada sekitar 100 °C, beda suhu turun dari sekitar 75 menjadi 62 °C, yaitu sekitar 17 persen, sehingga laju pengeringan turun dalam perbandingan yang kurang lebih sama.

Contoh 2: laju uap pengering. Kumparan pemanas pengering memerlukan 120 kW pada 7 bar. Laju uap $\dot{m} = 120/2.047 = 0{,}0586$ kg/s, sekitar 211 kg/jam.

Contoh 3: uap basah. Uap pada Contoh 2 mempunyai kualitas 0,95. Setiap kilogram hanya melepaskan $0{,}95 \times 2.047 = 1.945$ kJ, kurang sekitar 102 kJ/kg. Laju uap yang diperlukan naik menjadi $120/1.945 \times 3.600 = 222$ kg/jam, dan air yang terbawa juga harus dibuang oleh perangkap.

Contoh 4: ukuran pipa dan tekanan. Uap 211 kg/jam pada 7 bar ($v_g = 0{,}240$ m³/kg) bervolume sekitar 50,6 m³/jam, yaitu 0,0141 m³/s. Pada kecepatan 25 m/s, luas pipa $0{,}0141/25 = 5{,}6 \times 10^{-4}$ m², diameter dalam sekitar 27 mm. Untuk panas yang sama pada 2 bar diperlukan sekitar 200 kg/jam dengan volume sekitar 120 m³/jam, sehingga diameter dalam sekitar 41 mm.

Contoh 5: uap kilat. Kondensat dari setrika 8 bar ($h_f = 743$ kJ/kg) dilepas ke tekanan atmosfer ($h_f = 419$ kJ/kg, $h_{fg} = 2.257$ kJ/kg). Fraksi uap kilat $(743 - 419)/2.257 = 0{,}144$, yaitu 14,4 persen. Setiap kilogram kondensat menghasilkan sekitar $0{,}144 \times 1{,}673 = 0{,}24$ m³ uap kilat.

Contoh 6: udara di dalam uap. Manometer menunjukkan 2 bar (3,01 bar mutlak), tetapi uap berisi udara 10 persen volume. Tekanan parsial uap $0{,}9 \times 3{,}01 = 2{,}71$ bar mutlak, dan suhu jenuhnya dari tabel lengkap sekitar 130,1 °C, sekitar 3,6 °C lebih rendah daripada yang diharapkan dari manometer.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada penanggung jawab peralatan, yang memutuskan kelanjutannya, bila:

1. Tekanan di peralatan melewati tekanan kerja yang tertera pada pelat nama atau setelan katup pengaman; ikuti Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
2. Pipa atau peralatan akan dibuka sementara masih ada tekanan uap atau kondensat panas; isolasi dan buktikan nol seperti di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas.
3. Uap kilat atau kebocoran uap keluar di tempat orang bekerja.
4. Pipa uap bergetar atau berbunyi keras seperti dipukul; palu air dapat memecahkan pipa dan katup, seperti di Bab 5 tentang distribusi uap.
5. Manometer tidak menunjukkan nol ketika sistem seharusnya tanpa tekanan, atau manometer rusak; tekanan tidak dianggap nol tanpa bukti lain.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 9 · Fisika tentang fluida statis menjelaskan tekanan ukur, Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase menjelaskan kalor laten, Bab 15 · Fisika tentang gas ideal dan teori kinetik menjelaskan tekanan parsial, dan Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika menjelaskan aliran tunak yang mendasari pencekikan. Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry menghitung kebutuhan panas per siklus, dan Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas memakai kebutuhan uap dalam neraca. Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas membahas keselamatan uap. Kelanjutannya di rak ini adalah Bab 4 tentang boiler, Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat, Bab 6 tentang pengolahan air boiler, dan Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry. Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi kondisi berhenti.

Latihan dan pembahasan

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