Washer-extractor: muatan, level air, aksi mekanik, dan ekstraksi

Di ruang cuci sebuah hotel, satu aturan muatan mudah dilanggar: volume lebih penting daripada berat, dan aksi mekanik memerlukan ruang jatuh 20 sampai 30% di dalam drum. Aturan itu berasal dari fisika yang sederhana. Kain dibersihkan antara lain karena diangkat sirip drum lalu jatuh dan tertekuk, dan kain yang tidak punya ruang untuk jatuh hanya ikut berputar. Mesin juga memperkuat proses yang sudah dirancang, bukan menggantikannya: proses yang baik makin stabil dengan mesin yang tepat, dan proses yang buruk makin buruk.

Batas pembahasan

Bab ini membahas mesin cuci-peras kapasitas komersial dengan drum horizontal: energi tersimpan dan pengamannya, anatomi mesin, aksi mekanik, muatan, level air, ekstraksi, dan keseimbangan beban. Tiga dari lima faktor pencucian diwujudkan mesin ini: aksi mekanik, rasio air yang menentukan konsentrasi kimia, dan ekstraksi yang menentukan berapa banyak air yang harus diuapkan pengering. Bab 5 tentang lima faktor pencucian menjelaskan bahwa faktor-faktor saling mengompensasi dalam batas tertentu; bab ini menjelaskan bagaimana mesin menghasilkan faktor mekanik dan air, dan mengapa angka pada program tidak selalu sama dengan yang terjadi di dalam drum. Urutan tahap yang dijalankan mesin disusun di Bab 11 tentang arsitektur program cuci. Mesin terowongan (tunnel washer) dan pemeras terpisah disebut sebagai pembanding saja; mesin terowongan dibahas di Bab 34, dan kode galat mesin berkendali elektronik di Bab 33. Data mesin tertentu selalu diambil dari manual pabrikannya.

Energi tersimpan dan pengaman mesin

Mesin cuci-peras (washer-extractor) adalah mesin yang mencuci linen dengan putaran lambat lalu memerasnya dengan putaran tinggi di drum yang sama. Mesin ini menyimpan energi dalam tiga bentuk: putaran drum yang pada ekstraksi dapat mencapai ratusan kali percepatan gravitasi, air panas dan larutan kimia di dalam bak, serta listrik dan uap untuk pemanas. Standar keselamatan mesin laundry industri, ISO 10472-2, mensyaratkan pintu drum terkunci sehingga tidak dapat dibuka selama drum berputar, dan mensyaratkan mesin dengan faktor G di atas 150 mendeteksi beban tidak seimbang lalu menurunkan putaran ke tingkat aman. Perangkat pengindra itu harus tahan terhadap upaya pintasan.

Membuka pintu setelah cuci utama berarti berhadapan dengan linen panas yang basah larutan basa kuat; gunakan sarung tangan tahan kimia dan pelindung mata. Keadaan yang menghentikan mesin dan syarat isolasi energi untuk pekerjaan di dalamnya tercantum di bagian Kondisi berhenti.

Anatomi mesin cuci-peras

Drum dalam (keranjang). Silinder berlubang yang berisi linen, dengan sirip pengangkat (lifter) memanjang di dinding. Diameter drum menentukan tinggi jatuh dan faktor G ekstraksi; volume drum menentukan kapasitas.

Bak luar. Bejana tertutup yang menampung air. Level air diukur di bak ini, bukan di dalam kain.

Katup air dan sensor level. Katup air panas dan dingin mengisi bak sampai sensor level, umumnya sensor tekanan yang membaca tinggi kolom air, memberi tanda cukup. Busa dan sensor yang tidak dikalibrasi mengubah volume air nyata.

Pemanas. Injeksi uap langsung, elemen listrik, atau pengisian air panas. Jenis pemanas menentukan laju naik suhu, yang penting bagi enzim seperti dibahas di Bab 7 tentang enzim.

Katup buang atau pompa buang. Mesin besar umumnya membuang secara gravitasi melalui katup, sehingga saluran buang harus mampu menerima debit puncak.

Penggerak dan kendali. Motor yang umumnya dilengkapi pengubah frekuensi memberi putaran cuci yang lambat dan putaran ekstraksi yang tinggi dari satu motor. Pengendali menjalankan program, menerima sinyal pemicu dispenser, dan membaca sensor.

Dudukan. Mesin berdudukan kaku (hard-mount) dibaut ke lantai atau fondasi beton yang memadai dan mengandalkan fondasi untuk meredam getaran. Mesin bersuspensi (soft-mount) meredam sebagian besar gerakan di suspensinya sendiri, sehingga persyaratan fondasinya lebih ringan, walaupun lantai tetap harus rata dan mampu menahan beban statis dan dinamis.

Aksi mekanik: angkat, jatuh, dan tekuk

Saat drum berputar pelan, sirip mengangkat kain di sisi yang naik. Pada ketinggian tertentu, gaya berat kain melebihi gaya yang menahannya di dinding, lalu kain jatuh ke larutan di bagian bawah. Tumbukan, tekukan, dan aliran larutan menembus kain adalah sumber energi mekanik yang melepas partikel dan membantu larutan menjangkau kotoran di antara serat, seperti dibahas di Bab 3 tentang kotoran dan noda.

Kecepatan putar cuci dibatasi oleh fisika yang sama dengan ekstraksi. Bila percepatan sentripetal di dinding drum sama dengan percepatan gravitasi, kain menempel dan ikut berputar tanpa jatuh. Kecepatan kritis (critical speed) adalah putaran saat keadaan itu tercapai, yaitu putaran yang membuat $G = 1$ menurut rumus faktor G di bagian ekstraksi. Putaran cuci dipilih di bawahnya agar kain terangkat cukup tinggi lalu jatuh.

Dari sini terlihat mengapa ruang kosong di drum menentukan. Ruang jatuh adalah bagian volume drum yang dibiarkan kosong agar kain dapat terangkat dan jatuh. Ruang jatuh yang diperlukan 20 sampai 30% dari volume drum; bila drum terlalu penuh, kain menggelincir dan bergulir di bagian bawah tanpa terangkat.

Pabrikan mesin menyatakan hal yang sama dengan faktor pengisian (loading factor), yaitu massa linen kering per volume drum: untuk katun, 1 kg linen kering per 10 L volume drum, ditulis 1:10. Mesin dengan drum 600 L, misalnya, diberi kapasitas nominal 60 kg.

Faktor pengisian adalah angka berat yang mewakili volume. Linen yang tebal dan mengembang, seperti handuk tebal, selimut, atau bantal, memenuhi drum sebelum mencapai berat nominal. Linen tipis seperti sarung bantal poliester-katun dapat melebihi berat nominal sebelum drum penuh. Karena itu, aturan kerjanya adalah menilai isi drum, bukan hanya angka timbangan: bila linen harus ditekan agar muat, mesin sudah terlalu penuh.

Aksi mekanik juga punya batas atas. Energi yang sama yang melepas kotoran juga mengikis serat, dan aksi mekanik yang terlalu diandalkan tampak sebagai keausan linen. Linen halus diberi putaran lebih pelan, waktu gerak lebih pendek, atau drum yang lebih penuh air, seperti dibahas di Bab 2 tentang tekstil.

Muatan kurang dan muatan lebih

Muatan lebih mengurangi tinggi jatuh, membuat larutan tidak merata, dan menyulitkan bilasan. Akibatnya tampak sebagai noda yang tertinggal di bagian dalam gulungan, residu, dan cuci ulang.

Muatan kurang tampak aman, tetapi memindahkan biaya dan konsentrasi. Data satu mesin 60 kg memperlihatkan pemakaian air 485 L pada muatan penuh dan 445 L pada setengah muatan, atau sekitar 8,1 L/kg dibanding 14,8 L/kg. Air per kilogram hampir dua kali lipat, dan bila dosis kimia tidak disesuaikan terhadap air, konsentrasi dan biaya per kilogram ikut bergeser. Bab 12 tentang sortir dan penskalaan dosis membahas cara menyesuaikannya.

Mesin dianjurkan dioperasikan sekitar 80% kapasitas volume drum, bukan 80% berat nominal. Angka ini konsisten dengan ruang jatuh 20 sampai 30%, dan menjadi target kerja untuk linen katun campuran.

Level air dan konsentrasi kimia

Rasio air (liquor ratio) adalah volume air per kilogram linen kering, dalam L/kg. Mesin mengenal level rendah dan level tinggi, dan keduanya dipakai dengan alasan yang jelas: level rendah untuk cuci utama dan pemutihan agar konsentrasi kimia tinggi dan bantingan kuat; level tinggi untuk pracuci dan semua bilasan agar pembasahan merata dan sisa kotoran serta kimia terbuang.

Level rendah menaikkan konsentrasi karena dosis yang sama dilarutkan dalam air yang lebih sedikit. Level rendah juga memperkuat aksi mekanik karena kain yang jatuh tidak diredam lapisan air yang tebal. Level tinggi mengencerkan, dan pada bilasan pengenceran itulah yang dicari.

Ada satu hal yang sering terlewat. Sensor mengukur air bebas di bak, sedangkan linen menyerap sebagian air ke dalam serat. Linen katun kering yang masuk mesin menyerap air cukup banyak sebelum level tercapai, sehingga total air dalam sistem lebih besar daripada volume air bebas pada level itu, dan besarnya bergantung pada jenis dan jumlah linen. Akibatnya, dua beban dengan berat sama tetapi jenis kain berbeda dapat memakai total air berbeda pada level yang sama. Karena itu, konsentrasi nyata dipastikan dengan pengukuran seperti di Bab 9 tentang pH dan pengukuran, bukan hanya dihitung dari dosis dan level nominal.

Perbedaan desain mesin menjelaskan mengapa formula yang sama memberi hasil berbeda di mesin berbeda: setiap mesin punya rasio air sendiri, dan tanpa memahaminya penyesuaian sering dilakukan pada bagian yang salah. Formula yang dipindahkan ke mesin lain diperiksa ulang rasio airnya lebih dahulu.

Ekstraksi: faktor G dan kadar air sisa

Ekstraksi memeras air dari linen dengan gaya sentrifugal. Faktor G (G-factor) adalah percepatan sentripetal di dinding drum dibagi percepatan gravitasi:

dengan $\omega$ kecepatan sudut dalam rad/s, $r$ jari-jari drum dalam meter, $n$ putaran per menit, $D$ diameter drum dalam meter, dan $g = 9{,}81$ m/s². Bila konstanta digabung dan $D$ dinyatakan dalam milimeter, rumus kerjanya menjadi $G \approx n^2 D/1.789.000$. Rumus kerja ini diuji terhadap data pabrikan pada Contoh 1.

Hasil ekstraksi dinyatakan dengan kadar air sisa (residual moisture), yaitu massa air yang tertinggal per massa linen kering:

Satu panduan perencanaan pabrikan memberi angka acuan untuk katun: mesin putaran normal sampai super, 100 sampai 200 G, meninggalkan kadar air sisa sekitar 65 sampai 80%; mesin putaran tinggi, 220 sampai 425 G, sekitar 50 sampai 60%. Satu lembar data mesin 60 kg dengan 220 G mencantumkan 62% pada muatan penuh dan 68% pada setengah muatan. Angka ini bergantung pada jenis kain, muatan, dan desain drum, seperti terlihat dari perbedaan muatan penuh dan setengah muatan pada lembar data itu, sehingga dipakai sebagai arah, bukan janji.

Kadar air sisa adalah titik temu mesin cuci dan pengering. Setiap kilogram air yang tidak diperas harus diuapkan dengan panas. Panduan yang sama memperkirakan waktu pengering sekitar 30 menit untuk linen dengan kadar air di bawah 50%, sekitar 40 menit untuk handuk tebal pada kadar air sekitar 55%, dan sekitar 50 menit untuk linen 70 sampai 80% dari mesin putaran normal. Contoh 3 menghitung perbedaannya dalam kilogram air. Penghematan energi pengeringan dari ekstraksi yang lebih baik bergantung pada kadar air awal dan akhir, sehingga besarnya dihitung untuk kasus nyata dengan cara pada Contoh 3, bukan diambil dari satu angka persen umum.

Faktor G juga punya harga. Putaran tinggi menambah tegangan pada linen, dapat memperbanyak lipatan pada kain sintetis yang panas, dan menambah beban ketidakseimbangan pada mesin. Karena itu, program untuk kain tertentu memakai ekstraksi yang lebih rendah, seperti dibahas di Bab 2 tentang tekstil dan Bab 15 tentang pengeringan.

Keseimbangan dan distribusi beban

Sebelum ekstraksi, mesin memutar drum sedikit di atas kecepatan kritis, pada faktor G sekitar 1 sampai 2 sebagai gambaran, agar linen menempel merata di dinding. Tahap ini disebut distribusi (distribution). Bila linen menggumpal di satu sisi, massa yang tidak seimbang berputar pada jari-jari drum dan menghasilkan gaya yang naik sebanding kuadrat putaran. Pada mesin di atas 150 G, sensor ketidakseimbangan mendeteksi keadaan ini dan menurunkan putaran.

Akibat praktisnya: beban yang sering tidak seimbang keluar dengan kadar air sisa lebih tinggi, walaupun program tidak berubah. Linen terasa lebih basah, pengering bekerja lebih lama, dan operator dapat mengira mesin rusak. Penyebab yang umum adalah benda tunggal besar yang menyerap banyak air, seperti keset, selimut, atau tirai tebal, dan muatan terlalu sedikit. Pencegahannya adalah memadukan benda besar dengan benda kecil sejenis, mengikuti faktor pengisian, dan mencatat pesan ketidakseimbangan pada log mesin agar polanya terlihat.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Semua pengukuran dilakukan dari luar mesin dengan panel tertutup, dan kunci pintu serta sensor tidak pernah dipintas.

Contoh 1: faktor G dari diameter dan putaran. Lembar data mesin 60 kg mencantumkan diameter drum 980 mm, putaran ekstraksi 630 rpm, dan faktor G 220. Periksa dengan rumus kerja:

Hasil 217 sesuai dengan angka 220 pada lembar data, dengan selisih dari pembulatan. Kecepatan kritis drum yang sama adalah putaran yang membuat $G = 1$:

Putaran cuci drum ini harus di bawah sekitar 43 rpm agar kain jatuh. Bila drum lain berdiameter 1.300 mm diputar 550 rpm, $G \approx 550^2 \times 1.300/1.789.000 \approx 220$. Diameter yang lebih besar mencapai faktor G yang sama pada putaran lebih rendah; karena itu, perbandingan antarmesin memakai faktor G, bukan rpm.

Contoh 2: konsentrasi pada level rendah dan tinggi. Beban 50 kg linen katun. Dosis alkali cuci utama 1,0 kg produk yang mengandung 25% natrium hidroksida. Level rendah memberi total air sekitar 200 L termasuk air yang terserap linen; level tinggi sekitar 400 L. Anggap seluruh natrium hidroksida larut merata. Massa NaOH $= 1{,}0 \times 0{,}25 = 0{,}25$ kg $= 250$ g. Konsentrasinya:

Dengan massa molar 40 g/mol, konsentrasi hidroksida pada level rendah sekitar 0,031 mol/L dan pada level tinggi 0,016 mol/L. Pada 25 °C, pH kira-kira $13{,}99 + \log 0{,}031 \approx 12{,}5$ dan $13{,}99 + \log 0{,}016 \approx 12{,}2$, sebelum dikurangi alkali yang terpakai kotoran dan diabaikan koefisien aktivitas.

Angka ini adalah pH sampel yang didinginkan ke 25 °C; pada suhu cuci 60 sampai 70 °C, $\text{p}K_w$ sekitar 13 sehingga pH di dalam bak kira-kira satu satuan lebih rendah, seperti dibahas di Bab 9. pH hanya turun sekitar 0,3 satuan, tetapi cadangan alkali per liter turun separuh. Operator yang hanya membaca pH dapat mengira level tinggi tidak berpengaruh, padahal kemampuan larutan menahan pH saat bertemu kotoran asam turun separuh, dan bila surfaktan didosis dengan cara yang sama, konsentrasinya per liter juga turun separuh. Contoh ini menunjukkan mengapa cuci utama memakai level rendah dan mengapa kesalahan sensor level terlihat pertama kali sebagai hasil cuci yang menurun, bukan sebagai pH yang jauh berbeda.

Contoh 3: air yang harus diuapkan pengering. Beban 60 kg handuk katun kering keluar dari mesin A dengan kadar air sisa 70% dan dari mesin B dengan 55%. Massa air yang dibawa ke pengering:

Selisihnya 9 kg air per beban. Dengan kalor penguapan air sekitar 2,26 MJ/kg, yaitu nilai pada 100 °C (pada suhu pengering sedikit lebih besar, sekitar 2,3 sampai 2,4 MJ/kg), energi minimum untuk menguapkan selisih itu sekitar $9 \times 2{,}26 \approx 20$ MJ per beban, belum termasuk panas untuk menaikkan suhu linen dan udara serta kehilangan panas pengering, yang dibahas di Bab 15 tentang pengeringan dan Bab 16 tentang panas dan utilitas. Bila ruang cuci menjalankan 10 beban seperti ini per hari, selisihnya sekitar 90 kg air per hari yang harus diuapkan. Perhitungan ini juga menunjukkan kapan ekstraksi lebih tinggi tidak memberi banyak. Bila linen sudah keluar di 50%, menurunkannya ke 48% hanya mengurangi 1,2 kg air per beban 60 kg, sementara putaran yang lebih tinggi menambah tegangan pada linen dan mesin.

Contoh 4: kadar air sisa dari timbangan di laundry hotel. Teknisi laundry hotel menimbang 60,0 kg seprai katun kering sebelum dicuci, lalu 103,2 kg sesudah ekstraksi.

Bila mesinnya setara dengan lembar data 60 kg di bab ini, acuannya 62% pada muatan penuh. Beban ini membawa 43,2 kg air ke pengering, 6,0 kg lebih banyak daripada 37,2 kg pada 62%. Langkah berikutnya mengikuti Kunci 4: log pesan ketidakseimbangan, putaran drum diukur dengan tachometer tanpa sentuh dari luar, dan waktu buang. Program dan sensor tidak diubah hanya untuk mengejar angka.

Contoh 5: muatan setengah di laundry rumah sakit. Laundry rumah sakit mencuci 300 kg linen per hari di mesin 60 kg seperti lembar data di bab ini. Muatan penuh memerlukan 5 beban; kebiasaan setengah muatan memerlukan 10 beban.

Untuk linen yang sama, air naik 2.025 L per hari, sekitar 84%. Kadar air sisa lembar data juga naik dari 62% ke 68%, sehingga air yang dibawa ke pengering naik dari $0{,}62 \times 300 = 186$ kg menjadi $0{,}68 \times 300 = 204$ kg per hari. Beban sejenis digabung sampai faktor pengisian; bila setengah muatan tetap diperlukan, dosis disesuaikan terhadap air seperti di Bab 12.

Contoh 6: gaya ketidakseimbangan dari keset basah di hotel. Keset basah dicuci sendirian dan menggumpal di satu sisi drum, sehingga ada massa tak seimbang sekitar 4 kg di dinding drum. Massa itu mengalami percepatan $G$ kali $g$, sehingga gayanya mengikuti hukum Newton di Bab 5 · Fisika tentang gaya dan energi:

Pada 220 G gayanya hampir 150 kali gaya saat distribusi, setara berat benda sekitar 880 kg yang ikut berputar. Karena itu sensor ketidakseimbangan menurunkan putaran, dan linen keluar lebih basah. Keset dipadukan dengan benda kecil sejenis. Bila mesin bergeser atau berbunyi benturan, butir 2 bagian Kondisi berhenti berlaku, dan sensor tidak dinonaktifkan (butir 4).

Kondisi berhenti

Pada setiap keadaan berikut, siklus atau pekerjaan dihentikan, kelanjutannya diputuskan penanggung jawab peralatan, dan perbaikan serta pekerjaan di dalam mesin diserahkan kepada teknisi berkompeten.

1. Pintu dapat dibuka atau kunci pintu tidak bekerja ketika drum masih berputar atau bak masih berisi air. Mesin dihentikan dan tidak dipakai sampai kunci pintu diperbaiki.
2. Mesin bergetar keras, bergeser, atau berbunyi benturan pada ekstraksi. Hentikan siklus dari panel, atau dengan tombol henti darurat bila getaran membahayakan, lalu tunggu drum melambat sampai berhenti penuh dan kunci pintu terlepas sendiri. Beban tidak pernah dirapikan dengan tangan selama drum bergerak. Setelah itu, periksa distribusi beban dan dudukan mesin.
3. Air panas atau larutan kimia bocor dari pintu, katup buang, atau sambungan.
4. Siapa pun mengusulkan menonaktifkan sensor ketidakseimbangan, kunci pintu, atau sensor level agar siklus cepat selesai.
5. Pekerjaan perlu dilakukan di dalam drum, di balik panel, atau pada pemanas dan katup. Pekerjaan itu memerlukan isolasi energi: listrik diputus dan dikunci, lalu ditunggu waktu pelepasan muatan kapasitor pengubah frekuensi sesuai manual; katup uap ditutup dan jalurnya dibuang tekanannya; katup air ditutup; bak dikosongkan; drum dipastikan diam; dan permukaan panas dibiarkan dingin. Semua ini mengikuti hierarki pengendalian dan prosedur izin kerja yang dibahas di Bab 2 · Keselamatan.
6. Data yang diperlukan, seperti putaran drum, waktu buang, atau kadar air sisa, hanya dapat diambil dengan membuka panel atau memintas kunci pintu atau sensor. Pengukuran operator dilakukan dari luar mesin dengan panel tertutup.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 5 · Fisika tentang gaya dan energi memberi dasar gaya dan percepatan untuk faktor G, Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika tentang putaran dan transmisi daya memberi dasar putaran dan torsi, Bab 1 · Fluida & Termal tentang tekanan memberi dasar tekanan yang dibaca sensor level, dan Bab 10 · Fisika tentang kalor memberi dasar kalor penguapan. Bab 1 · Keselamatan tentang energi tersimpan memberi dasar kondisi berhenti, dan Bab 2 · Keselamatan tentang izin kerja memberi dasar isolasi energi. Di rak Laundry, bab ini bersandar pada Bab 6 tentang kimia pembersih, Bab 2 tentang tekstil, Bab 3 tentang kotoran dan noda, Bab 5 tentang lima faktor, dan Bab 9 tentang pH, serta menjadi dasar Bab 11 tentang arsitektur program, Bab 12 tentang penskalaan dosis, Bab 15 tentang pengeringan, dan Bab 16 tentang panas dan utilitas. Bab 33 tentang kode galat washer-extractor elektronik membaca kode sebagai pemeriksaan kendali yang tidak terpenuhi, termasuk batas waktu isi, buang, dan panas, sensor suhu dan level, serta kunci pintu bistabil, lalu mengujinya dengan uji pembeda sebelum komponen diganti. Bab 34 membahas mesin cuci terowongan, yang mencuci linen dalam batch berurutan melalui deretan modul; di sana level air yang benar dan muatan yang tidak berlebih, bersama rotasi silinder yang benar, menjadi syarat agar mesin tidak macet.

Latihan dan pembahasan

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

Referensi