KAJIAN TERBENTUKNYA GELEMBUNG UAP PADA PIPA-PIPA EVAPORATOR KETEL PIPA AIR

Transkripsi

1 KAJIAN TERBENTUKNYA GELEMBUNG UAP PAA PIPA-PIPA EVAPORATOR KETEL PIPA AIR Tekad Stepu Sta Pengajar epartemen Teknk Mesn Fakultas Teknk Unverstas Sumatera Utara Abstrak Proses pembentukan uap pada ppa evaporator dalam ketel uap ppa ar memlk karakterstk alran dua asa yatu asa uap dan ar. Agar ketel dapat berungs secara eekt, perlu dketau dmana letak pembentukan uap dalam ppa, letak gelembung uap berkembang penu dan juga poss luda pada dndng ppa menjad kerng (dryout, sebab jka luda pada dndng ppa-ppa waterwall kerng, koesen perpndaan panas akan turun secara drasts dan akan membuat temperatur pada dndng ppa (T w menjad nak secara drasts, sengga ppa-ppa waterwall akan menerma panas yang berleban. Konds tersebut dapat mengakbatkan ppa-ppa ketel mengalam: koros, perubaan struktur materal ppa yang akan mempengaru kekuatan materal atau bakan dapat menyebabkan ppa menjad melele. Proses pembentukan uap d dalam ppa tergantung kepada lux panas permukaan, untuk tu perlu dketau besarnya lux panas maksmum dan mnmum yang dapat dberkan pada ppa. Flux panas yang terlalu besar akan menyebabkan ppa mengalam dryout, sebalknya jka terlalu kecl akan membuat proses pembentukan uap dalam ppa terlalu lambat dan kapastas uap yang daslkan renda atau bakan tdak terbentuknya uap. Kata kunc: Gelembung Uap, Ppa evaporator ketel ppa ar. 1. PENAHULUAN Proses penguapan pada ketel uap terjad dalam konds jenu pada suatu tekanan dan temperatur konstan. Tekanan dan temperatur n dnamakan tekanan saturas (P dan temperatur saturas (T. Tekanan dan temperatur saturas menjad speskas dar ketel uap tersebut. Pemberan panas pada luda yang dalam konds jenu, tdak akan memperbesar tempratur tetap akan menamba kualtas uap. Selama proses penguapan alran luda dalam ppa berbeda-beda, karena terbentuknya gelembung-gelembung uap dan yang akan bertamba besar serng dengan penambaan kualtas uap. Alran dan perpndaan panas pada ppa ketel uap n, tergantung kepada poss ppa dan ara alran luda. Namun dalam al n yang akan dbaas anya pada ppa vertkal dan alran luda keatas. 2. TINJAUAN PUSTAKA Perpndaan panas pada proses penguapan pada ppa vertkal dengan alran ke atas dbag dalam empat bagan yatu : perpndaan panas konveks pada asa car (Convecton Sngle-Pase lqud, Subcooled bolng, saturated bolng dan perpndaan panas ponveks pada asa uap (Convecton Sngle-Pase vapor. Poss daera perpndaan panas n berbeda-beda pada ppa, tergantung kepada besar panas permukaan yang dberkan kepada ppa Perpndaan Panas Konveks Pada Fasa Car Perpndaan panas konveks dengan lux Panas ( konstan 51

2 dtung dengan menggunakan persamaan 2-1 berkut n. q conv. A 2-1 A = Luas permukaan yang dpanas. alam ppa luas penampang yang dpanas adala π..z = Fluks panas pada permukaan ppa q conv = Perpndaan panas konveks z = Panjang ppa Sengga untuk ppa dengan dameter, besar perpndaan panas yang terjad adala : q z 2-2 conv Sedangkan perpndaan panas pada luda ddalam ppa adala : q conv W c. ( T ( z T 2-3. p W = laju alran massa pada asa car (kg/s c p = koesen panas konveks pada asa car T (z = Temperatur lokal luda dalam ppa T = Temperatur luda masuk ppa Kesembangan panas pada ppa adala dengan menggabungkan persamaan 2-2dan 2-3 datas persamaan menjad: z W. c. ( T ( z T Laju alran massa W serng dbuat dalam kecepatan massa (G ubungan antara keduanya adala sepert persamaan W G Sengga dengan menyusun ulang persamaan 2-4 datas dan menggabungkannya kedalam persamaan 2-5. ddapatkan persamaan 2-6, untuk mengtung dstrbus panas lokal luda dsepanjang ppa. 4 z T ( z T 2-6 Gc Temperatur permukaan dndng ppa adala temperatur lokal luda dtamba dengan perbedaan p temperatur dndng dengan temperatur lokal : T T ( z T...[ Lt w (...al:145] 2-7 T /...[ Lt o...al:145] 2-8 Sengga persamaan 2-7 datas menjad Tw T ( z 2-9 o Untuk mendapatkan o dtung dar blangan Nusselt menurut persamaan o Nu 2-10 k Nu k o = blangan Nusselt = koesen konveks luda = konduktvtas termal luda = dameter ppa Blangan Nusselt untuk alran lamnar dalam ppa Nu Pr gt 0.17 Re Pr 2 Prw..[ Lt. 2. al:440] 2-11 p berlaku untuk z/ > 50 dan Re 2- < 42000, Sedangkan untuk alran Turbulen dalam ppa dgunakan persamaan ttus-boelter, yang berlaku untuk z/ > 10 dan Re> Re Pr Nu...[ Lt al:445] Perpndaan Panas Pada Subcooled bolng aera subcooled bolng adala daera mula tmbulnya gelembung gelembung pada dndng ppa sampa pada temperatur rata-rata luda sama dengan temperatur saturas luda. Umumnya jens alran yang terjad pada daera n adala alran gelembung (Bubbly low dan alran sumbat (Slug Flow

3 Gambar 2. 1 strbus Temperatur dndng ppa dan ar pada daera subcoolng Temperatur luda pada dndng ppa umumnya leb tngg dar temperatur luda d tenga ppa. Sengga luda yang terleb daulu mencapa temperatur saturas adala pada dndng ppa. Ole karena tu pembentukan gelembung gelembung leb daulu pada dndng ppa. Poss terbentuknya gelembung gelembung awal n dnamakan Nucleat bolng. Gambar Poss Nucleat bolng dapat dlat pada gambar 2-1 datas. Pembentukan gelembung tdak terjad saat Temperatur dndng sama dengan temperatur saturas, tetap ada penambaan temperatur tertentu ( T. Sengga pembentukan Gelembung pada dndng ppa terjad saat T T (T. Ole W karena Penambaan temperatur tersebut poss pembentukan gelembung pada dndng ppa akan bergeser atau bertamba. Pergeseran poss n dnamakan Onset Nucleat bolng (. Temperatur luda ( T d pusat ppa saat tmbulnya gelembung pada dndng ppa dapat dtung menggunakan persamaan 2-6. Sengga dengan mengubungkan konds Onset Nucleat bolng n kedalam persamaan 2-9 dan menyusun ulang kembal persamaan, maka dapat o dketau poss Onset Nucleat bolng ( z NB menurut persamaan 2-13 Untuk ppa yang dpanaskan dengan lux panas ( konstan dengan kecepatan alran massa (G, Panjang ppa sampa tmbulnya gelembung uap dtung dengan persamaan 2-13 dbawa n. G c p ( TSUB ( T 1 znb 4 o...[ Lt. 1. al:146] 2-13 ( T = Beda temperatur SUB saturas dengan temperatur luda masuk ppa ( T = Beda temperatur dndng ppa saat Onset Nucleat bolng dengan Temperatur Saturas = koesen konveks luda z NB = panjang ppa sampa terjadnya nucleat bolng c = koesen panas p konveks pada asa car = Flux panas permukaan 53

4 Pembentukan gelembung uap pada pusat ppa akan terjad saat temperatur luda pada pusat ppa sama dengan temperatur saturas luda ( T (z = T. Poss n adala batas daera subcooled bolng sengga serng dsebut dengan panjang subcooled bolng ( z sc. engan menyusun ulang persamaan 2-8 datas untuk mengtung jarak dar ujung masuk luda sampa temperatur luda sama dengan temperatur saturas luda, ddapatkan persamaan 2-14 berkut n. G c p zsc ( T T [ Lt al:145] 2-14 Sengga daera subcooled bolng adala mula dar terbentuknya gelembung pada dndng ppa (z NB sampa terbentuknya gelembung pada pusat ppa (z SC. Panjang daera n dtung dengan persamaan G c p 1 ( T zsc znb 4 o...[ Lt. 1. al:146] 2-15 strbus temperatur dar dndng ppa sampa pusat ppa dapat dketau dengan menggunakan persamaan 2-16 berkut n. y T ( y TW [ Lt k... al:150] 2-16 Besar arga penambaan temperatur dar temperatur saturas pada saat Onset Nucleat bolng ( T belum dketau. Untuk mengetau arga ( T arus terleb daulu dketau koesen perpndaan panas ke luda car (Sngle Pase Lqud dan koesen perpndaan panas ke gelembung gelembung uap (Subcooled Bolng. Besar lux panas permukaan yang dbutukan pada daera subcooled bolng adala sepert gambar 2-2. aera n dbag dalam dua jens yatu daera Penguapan terpsa (Partal Bolng dan daera penguapan berkembang penu (Fully evelopment Bolng. Pada daera penguapan terpsa lux panas dbag menjad dua bagan yatu lux panas ke luda car dan lux panas ke gelembung ( SPL gelembung uap ( SCB menurut persamaan SPL SCB [ Lt al:156] 2-17 Gambar 2. 2 Grak Flux panas permukaan dan Temperatur permukaan pada daera subcooled bolng 54

5 mana serng dengan bertambanya kualtas uap mula saat luda mencapa temperatur saturas, akan berkurang karena SPL berkurangnya luda car dan SCB akan bertamba. Namun pengurangan SPL mas sebandng dengan penambaan, sengga lux panas mas SCB belum beruba, dan mas danggap anya lux SPL, sampa tercapa temperatur. Pada gambar 2.2, pada saat temperatur dndng mencapa ttk temperatur akan turun menjad temperatur ttk. Hal n karena terjadnya pembentukan uap pada Raso lux panas permukaan SPL dndng. an pada poss nla Onset Nucleat bolng terjad. Pada daera penguapan berkembang penu (ully development bolng lux panas ke luda car ( SPL adala nol, sengga lux panas selurunya adala ke gelembung gelembung uap ( SCB. Menurut Bowrng, grak raso lux panas permukaan dengan perbedaan temperatur saturas dengan temperatur luda ( T SUB (z adala sepert gambar 2.3 berkut. T W= T 1 0 FB 0 Pont Subcooled, T SUB (z Gambar 2. 3 agram Raso lux panas permukaan vs T SUB (z [ Lt. 2. al:158 ] Untuk mencar beda temperatur saturas dengan temperatur bulk luda pada saat tmbulnya gelembung pada dndng ppa (Nucleat bolng ( T SUB z, menurut Bowrng ( NB dgunakan Persamaan 2-18 berkut n. n TSUB ( znb [ Lt. 1. o...al:149] 2-18 Sedangkan untuk mencar beda temperatur saturas dengan temperatur bulk luda pada saat gelembung berkembang penu (Fully evelopment Bolng/FB, menurut Bowrng dgunakan Persamaan berkut n. n TSUB ( z FB [ Lt o al:158] 2-19 Persamaan umum untuk T adala n T [ Lt. 1. al:148]

6 Menurut Jens dan Lottes untuk ar, besar arga 25e p/62 dan arga n 0.25, sengga persamaan 2-20 untuk daera subcooled bolng menjad persamaan 2-23 berkut n p/62 T 25 e [ Lt al:165] 2-21 = lux panas permukaan [MW/m 2 ] p = Tekanan luda [bar] 2.3. Perpndaan Panas Pada Satureted Bolng Setela melewat daera daera berkembang penu pada subcooled bolng, perpndaan panas yang terjad adala perpndaan panas dua asa, yatu asa uap dan ar. Serng dengan tu kualtas uap bertamba. Besarnya penambaan kualtas uap tersebut setela melewat daera berkembang penu berbeda dengan sebelum berkembang penu. Hal n karena dalam daera berkembang penu perpndaan panas kepada alran dua asa, sedangkan sebelum daera berkembang penu sebagan ke asa tunggal ar, dan sebagan ke gelembung uap.kualtas uap mula memlk arga setela gelembung terpsa dar dndng ppa (z d. Grak kualtas uap dapat dlat pada gambar 2.4 * Z Z SC Z Z NB Gambar 2. 4 Kualtas Uap pada dera Subcooled dan Saturated bolng [ Lt. 1. al:179 ] 56

7 Persamaan 2-22 berkut n dgunakan untuk mengtung kualtas uap setela melewat daera berkembang penu (ully development regon atau z > z *. 4 x( z ( z zsc [ Lt G g...al:207] 2-22 Sedangkan kualtas uap sebelum melewat daera berkembang penu (ully development regon z < z * d tung dengan menggunakan persamaan 2-24 berkut n. 4 x' ( z ( z zd [ Lt. 1. G (1 g...al:207] 2-23 z = Panjang ppa sengga uap d lepas dar dndng ppa G c p ( T SUB zd 4 Gv * z = panjang ppa sengga luda mengalam penguapan berkembang penu G c p * ( TSUB z 4 Gv [14 0.1p] 10 6 [ 0 C m Untuk tekanan bar cp ( g g Untuk tekanan bar ( Untuk tekanan datas 50 bar ( / J] 2.4. Perpndaan Panas pada daera postdryout aera postdryout dmula dar poss dryout sampa kepada uap supereat ngga keluar ppa penguap. alam daera n umumnya alran luda adala annular atau wspy annular. Serng dengan bertambanya kualtas uap, pada ttk tertentu akan mencapa kualtas uap 100% secara teorts, panjang ppa ngga luda mencapa kualtas uap 100% atau poss equalbrum z dtung dengan ( EQ persamaan 2-24 berkut n. z EQ G g (1 xo zo [ Lt. 1. al:233] 2-24 z = Panjang ppa ngga EQ mencapa kualtas uap 100% atau poss equalbrum [m] = lux panas permukaan [W/m 2 ] z = Panjang ppa ngga O luda mencapa ttk ryout/krts [m] x = kualtas uap pada O poss dryout G = Kecepatan alran [kg/m 2 s] = ameter ppa [m] = Panas laten pengupan g strbus kualtas uap pada daera postdryout dtung dengan persamaan 2-25 * 4 x ( z xo ( z zo G g...[ Lt. 1 al:233] 2-24 x * ( z = Kualtas uap pada poss z pada ppa z = Poss pada ppa. Yatu daera antara poss dryout ngga kualtas uap mencapa 100% = Raso a / c Namun panjang ppa ngga luda mencapa kualtas uap 100% secara * aktual ( z dtung dengan persamaan 2-26 berkut n. G * g z (1 xo zo [ Lt al:234]

8 strbus temperatur luda pada ppa untuk z < z *, dtung dengan persamaan 2-27, untuk z < z *, dtung dengan persamaan (1 ( z z O Tg ( z T G c pg...[ Lt. 1. al:235] T ( z T g 4( z zeq [ Lt. 1. G c pg...al:235] PEMBAHASAN Serng dengan bertambanya kualtas uap, luda akan mengalam ttk krts atau serng dsebut ryout dan eparture Nucleat bolng (NB. Istla ryout dgunakan untuk lux panas renda serta kualtas uap tngg saat melewat ttk krts. eparture Nucleat bolng (NB untuk lux panas tngg dan kualtas uap renda saat melewat ttk krts. Pada ryout, Fluda car suda tdak kelatan secara sk, tetap berbentuk butr-butr ar dantara uap, dan alran setela melewat ttk krts adala alran drop dan sebelum melewat ttk krts alrannya adala alran annular (Gambar 3.1. Gambar 3.1 ryout Pada NB, dapat terjad saat subcooled bolng dan saturas sebelum kualtas uap mencapa kurang leb 50%, umumnya alran setela ttk krts adala alran wspy annular. Peta untuk melat proses penguapan dapat dlat pada gambar 3.2. Untuk lux panas konstan gars,,, v, v, v dan v. Untuk lux panas permukaan renda (,, gars penguapan melewat perpndaan panas asa car, lalu daera subcooled bolng, saturated bolng, perpndaan panas dua asa dan melewat ttk dryout. Namun untuk lux panas menenga (, v, v gars melewat perpndaan panas asa car dengan sngkat, lalu subcooled bolng agak panjang dan melewat saturas namun tdak melewat perpndaan panas dua asa dan langsung melewat ttk krts dengan konds NB pada saturas. an untuk lux panas tngg (v, v tdak melewat perpndaan panas asa car tetap langsung ke subcooled dan melewat ttk krts dalam konds NB subcooled dengan subcooled lm bolng. Gambar 3.2 Pengaru Fluks panas pada sat alran dua asa [ Lt. 3. al: ] 58

9 Setela melewat ttk krts temperatur akan nak secara drats, karena koesen perpndaan panas turun secara drasts akbat dndng ppa dpenu ole uap (Sngle Pasa Vapor. Gambar 3. 3 Grak Temperatur Fluda dan ndng ppa setela melewat Flux panas Krts (Crtcal Heat Flux [ Lt. 4. al:5-3] 4. KESIMPULAN 1. Untuk lux panas yang tngg, NB atau dryout n bsa mengakbatkan kerusakan ppa karena menerma panas yang berleban (overeatng, bakan dapat mengakbatkan ppa melele, atau jka ppa melewat temperatur krts materalnya, akan mempercepat kerusakan ppa tersebut karena kelelaan. an bakan bagan dalam ppa bsa mengalam koros. Ole karena tu, analsa ttk krts sangat pentng dalam perencanaan ppa ketel. 2. Untuk ppa yang dpanas dengan lux panas permukaan konstan, lux panas krtsnya adala lux panas permukaan tersebut. Sengga untuk mengetau ttk krtsnya adala dengan mengtung kualtas uap pada saat ttk krts tersebut. Second Edton. McGraw Hll. New York: Incropera. Frank P. dkk Fundamental o Heat and Mass Transer. Jon Wley & Sons, Inc. New York: Scltnder, Ernst U. dkk Heat Excanger esgn Handbook. Hemspere Publsng Corporaton. New York: Steam, ts Generaton and Use Eds 41. Te Babcock and Wlcox Company. New York 5. Holman, J. P., dan Jasj, E. (penerjema, Perpndaan Kalor, Eds Keenam, Erlangga : Jakarta, jokosetyardjo, Ir. M.J. Ketel Uap. PT Pradnya Paramta. Jakarta:1932 AFTAR PUSTAKA 1. Coller, Jon G. Convectve Bolng and Condensaton. 59