51
KAJIAN TERBENTUKNYA GELEMBUNG UAP
PADA PIPA-PIPA EVAPORATOR KETEL PIPA AIR
Tekad SitepuStaf Pengajar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Abstrak
Proses pembentukan uap pada pipa evaporator dalam ketel uap pipa air memiliki karakteristik aliran dua fasa yaitu fasa uap dan air. Agar ketel dapat berfungsi secara efektif, perlu diketahui dimana letak pembentukan uap dalam pipa, letak gelembung uap berkembang penuh dan juga posisi fluida pada dinding pipa menjadi kering (dryout), sebab jika fluida pada dinding pipa-pipa waterwall kering, koefisien perpindahan panas akan turun secara drastis dan akan membuat temperatur pada dinding pipa (Tw) menjadi naik secara drastis, sehingga pipa-pipa waterwall
akan menerima panas yang berlebihan. Kondisi tersebut dapat mengakibatkan pipa-pipa ketel mengalami: korosi, perubahan struktur material pipa yang akan mempengaruhi kekuatan material atau bahkan dapat menyebabkan pipa menjadi meleleh. Proses pembentukan uap di dalam pipa tergantung kepada flux panas permukaan, untuk itu perlu diketahui besarnya flux panas maksimum dan minimum yang dapat diberikan pada pipa. Flux panas yang terlalu besar akan menyebabkan pipa mengalami dryout, sebaliknya jika terlalu kecil akan membuat proses pembentukan uap dalam pipa terlalu lambat dan kapasitas uap yang dihasilkan rendah atau bahkan tidak terbentuknya uap.
Kata kunci: Gelembung Uap, Pipa evaporator ketel pipa air.
1. PENDAHULUAN
Proses penguapan pada ketel uap terjadi dalam kondisi jenuh pada suatu tekanan dan temperatur konstan. Tekanan dan temperatur ini dinamakan tekanan saturasi (PSAT) dan temperatur saturasi (TSAT). Tekanan dan temperatur saturasi
menjadi spesifikasi dari ketel uap tersebut. Pemberian panas pada fluida yang dalam kondisi jenuh, tidak akan memperbesar tempratur tetapi akan menambah kualitas uap. Selama proses penguapan aliran fluida dalam pipa berbeda-beda, karena terbentuknya gelembung-gelembung uap dan yang akan bertambah besar seiring dengan penambahan kualitas uap. Aliran dan perpindahan panas pada pipa ketel uap ini, tergantung kepada posisi pipa dan arah aliran fluida. Namun dalam hal ini yang akan dibahas hanya pada pipa vertikal dan aliran fluida keatas.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Perpindahan panas pada proses penguapan pada pipa vertikal dengan aliran ke atas dibagi dalam empat bagian yaitu : perpindahan panas konveksi pada fasa cair (Convection Single-Phase liquid), Subcooled boiling, saturated boiling dan perpindahan panas ponveksi pada fasa uap (Convection Single-Phase
vapor). Posisi daerah perpindahan panas ini berbeda-beda pada pipa, tergantung kepada besar panas permukaan yang diberikan kepada pipa.
2.1. Perpindahan Panas Konveksi Pada Fasa Cair
Perpindahan panas konveksi dengan flux Panas (
) konstan52
dihitung dengan menggunakan persamaan 2-1 berikut ini.
q
conv
.
A
2- 1 Dimana :A = Luas permukaan yang dipanasi.
Dalam pipa luas penampang yang dipanasi adalah π.D.z
= Fluks panas padapermukaan pipa qconv = Perpindahan panas
konveksi z = Panjang pipa
Sehingga untuk pipa dengan diameter D, besar perpindahan panas yang terjadi adalah :
q
conv
D
z
2- 2 Sedangkan perpindahan panas pada fluida didalam pipa adalah :
q
conv
W
f.
c
pf.
(
T
f(
z
)
T
fi)
2- 3 Dimana :Wf = laju aliran massa pada fasa
cair (kg/s)
cpf = koefisien panas konveksi
pada fasa cair
Tf(z) = Temperatur lokal fluida
dalam pipa
Tfi = Temperatur fluda masuk pipa
Keseimbangan panas pada pipa adalah dengan menggabungkan persamaan 2-2dan 2-3 diatas persamaan menjadi:
DzWf .cpf .(Tf(z)Tfi) 2- 4 Laju aliran massa Wf seringdibuat dalam kecepatan massa (G ) hubungan antara keduanya adalah seperti persamaan 2-5. 2
4
D
W
G
f
2- 5Sehingga dengan menyusun ulang persamaan 2-4 diatas dan
menggabungkannya kedalam
persamaan 2-5. didapatkan persamaan 2-6, untuk menghitung distribusi panas lokal fluida disepanjang pipa.
D
c
G
z
T
z
T
pf fi f
4
)
(
2- 6Temperatur permukaan dinding pipa adalah temperatur lokal fluida ditambah dengan perbedaan
temperatur dinding dengan temperatur lokal : Tw(Tf(z)Tf) ...[ Lit. 1... ...hal:145] 2- 7 Dimana : Tf
/hfo ...[ Lit. 1... ...hal:145] 2- 8 Sehingga persamaan 2-7 diatasmenjadi fo f w
h
z
T
T
(
)
2- 9Untuk mendapatkan hfo dihitung dari
bilangan Nusselt menurut persamaan f fo D k D h Nu 2- 10 Dimana :
Nu
D = bilangan Nusselthfo = koefisien konveksi fluida kf = konduktivitas thermal fluida
D
= diameter pipaBilangan Nusselt untuk aliran laminar dalam pipa 1 . 0 2 2 3 25 . 0 43 . 0 33 . 0 Pr Pr Pr Re 17 . 0 f f w f f D T g D Nu ..[ Lit. 2. hal:440] 2- 11 berlaku untuk z/D > 50 dan Re < 2000, Sedangkan untuk aliran Turbulen dalam pipa digunakan persamaan Dittus-Boelter, yang berlaku untuk z/D > 10 dan Re>3000.
Nu
D
0
.
023
Re
0.8Pr
f0.4 ...[ Lit. 2. ...hal:445] 2- 12 2.2. Perpindahan Panas PadaSubcooled boiling
Daerah subcooled boiling adalah daerah mulai timbulnya gelembung gelembung pada dinding pipa sampai pada temperatur rata-rata fluida sama dengan temperatur saturasi fluida. Umumnya jenis aliran yang terjadi pada daerah ini adalah aliran gelembung (Bubbly flow) dan aliran sumbat (Slug Flow)
53
Gambar 2. 1 Distribusi Temperatur dinding pipa dan air pada daerah subcooling
Temperatur fluida pada dinding pipa umumnya lebih tinggi dari temperatur fluida di tengah pipa. Sehingga fluida yang terlebih dahulu mencapai temperatur saturasi adalah pada dinding pipa. Oleh karena itu pembentukan gelembung–gelembung lebih dahulu pada dinding pipa. Posisi terbentuknya gelembung gelembung awal ini dinamakan Nucleat boiling. Gambar Posisi Nucleat boiling dapat dilihat pada gambar 2-1 diatas.
Pembentukan gelembung tidak terjadi saat Temperatur dinding sama dengan temperatur saturasi, tetapi ada penambahan temperatur tertentu
ONB SAT
T
)
(
). Sehingga pembentukan Gelembung pada dinding pipa terjadi saatT
W
T
SAT
(
T
SAT)
ONB. Oleh karena Penambahan temperatur tersebut posisi pembentukan gelembung pada dinding pipa akan bergeser atau bertambah. Pergeseran posisi ini dinamakan Onset Nucleat boiling (ONB). Temperatur fluida ( Tf ) dipusat pipa saat timbulnya gelembung pada dinding pipa dapat dihitung menggunakan persamaan 2-6. Sehingga dengan menghubungkan kondisi Onset Nucleat boiling ini kedalam persamaan 2-9 dan menyusun ulang kembali persamaan, maka dapat
diketahui posisi Onset Nucleat boiling (
z
NB) menurut persamaan 2-13Untuk pipa yang dipanaskan dengan flux panas (
) konstan dengan kecepatan aliran massa (G), Panjang pipa sampai timbulnya gelembung uap dihitung dengan persamaan 2-13 dibawah ini. fo ONB SAT i SUB pf NB h T T D c G z ( ) ( ) 1 4 ...[ Lit. 1. hal:146] 2- 13 Dimana :
(
T
SUB)
i = Beda temperatursaturasi dengan
temperatur fluida masuk pipa
ONB SAT
T
)
(
= Beda temperatur dinding pipa saat Onset Nucleat boiling dengan Temperatur Saturasifo
h
= koefisien konveksi fluida
z
NB = panjang pipa sampai terjadinya nucleat boilingpf
c
= koefisien panas konveksi pada fasa cair
= Flux panas permukaan54
Pembentukan gelembung uap pada pusat pipa akan terjadi saat temperatur fluida pada pusat pipa sama dengan temperatur saturasi fluida (
) (z
Tf =
T
SAT). Posisi ini adalah batas daerah subcooled boiling sehingga sering disebut dengan panjang subcooled boiling (z
sc). Dengan menyusun ulang persamaan 2-8 diatas untuk menghitung jarak dari ujung masuk fluida sampai temperatur fluida sama dengan temperatur saturasi fluida, didapatkan persamaan 2-14 berikut ini.(
)
4
SAT fi pf scT
T
D
c
G
z
[ Lit. 1. .. ...hal:145] 2- 14Sehingga daerah subcooled boiling adalah mulai dari terbentuknya gelembung pada dinding pipa (zNB)
sampai terbentuknya gelembung pada pusat pipa (zSC). Panjang daerah ini
dihitung dengan persamaan 2-15 .
ONB SAT fo pf NB SC T h D c G z z 1 ( ) 4 ...[ Lit. 1. hal:146] 2- 15 Distribusi temperatur dari dinding pipa sampai pusat pipa dapat diketahui dengan menggunakan persamaan 2-16 berikut ini. f W fk
y
T
y
T
(
)
[ Lit. 1.... .... hal:150] 2- 16Besar harga penambahan temperatur dari temperatur saturasi pada saat Onset Nucleat boiling
ONB SAT
T
)
(
belum diketahui. Untuk mengetahui harga(
T
SAT)
ONB harus terlebih dahulu diketahui koefisien perpindahan panas ke fluida cair (Single Phase Liquid) dan koefisien perpindahan panas ke gelembung gelembung uap (Subcooled Boiling).Besar flux panas permukaan yang dibutuhkan pada daerah subcooled boiling adalah seperti gambar 2-2. Daerah ini dibagi dalam dua jenis yaitu daerah Penguapan terpisah (Partial Boiling) dan daerah penguapan berkembang penuh (Fully Development Boiling).
Pada daerah penguapan terpisah flux panas dibagi menjadi dua bagian yaitu flux panas ke fluida cair (
SPL) dan flux panas ke gelembung gelembung uap (
SCB) menurut persamaan 2-17 .
SPL
SCB [ Lit. 1.... ... hal:156] 2- 17Gambar 2. 2 Grafik Flux panas permukaan dan Temperatur permukaan pada daerah subcooled boiling
55
Dimana seiring dengan bertambahnya kualitas uap mulai saat fluida mencapai temperatur saturasi,
SPL
akan berkurang karenaberkurangnya fluida cair dan
SCB akan bertambah. Namun pengurangan
SPL masih sebanding dengan penambahanSCB
, sehingga flux panas
masih belum berubah, dan masih dianggap hanya flux
SPL, sampai tercapai temperatur D’. Pada gambar 2.2, pada saat temperatur dinding mencapai titik D’ temperatur akan turun menjadi temperatur titik D. Hal ini karena terjadinya pembentukan uap padadinding. Dan pada posisi inilah Onset Nucleat boiling terjadi.
Pada daerah penguapan berkembang penuh (fully development boiling) flux panas ke fluida cair (
SPL) adalah nol, sehingga flux panas seluruhnya adalah ke gelembung gelembung uap (
SCB).Menurut Bowring, grafik rasio flux panas permukaan dengan perbedaan temperatur saturasi dengan temperatur fluida ( T (z)
SUB
) adalah
seperti gambar 2.3 berikut.
Gambar 2. 3 Diagram Rasio flux panas permukaan vs TSUB(z) [ Lit. 2. hal:158 ] Untuk mencari beda temperatur
saturasi dengan temperatur bulk fluida pada saat timbulnya gelembung pada dinding pipa (Nucleat boiling) (
T
SUB(
z
NB)
), menurut Bowring digunakan Persamaan 2-18 berikut ini. n fo NB SUB h z T ( )
[ Lit. 1. ...hal:149] 2- 18Sedangkan untuk mencari beda temperatur saturasi dengan temperatur bulk fluida pada saat gelembung
berkembang penuh (Fully Development Boiling/FDB), menurut Bowring digunakan Persamaan 2-191 berikut ini.
n fo FDB SUB z h T 4 . 1 4 . 1 ) ( [ Lit. 1 ...hal:158] 2- 19 Persamaan umum untuk
T
SAT adalah TSAT
n [ Lit. 1. hal:148] ... 2- 20Point Subcooled, TSUB(z) TW=TSAT
FDB 1
ONB 0
0
Rasio flux panas permukaan
SPL
56
Menurut Jens dan Lottes untuk air, besar harga
25
e
p/62 dan harga25 . 0
n , sehingga persamaan 2-20 untuk daerah subcooled boiling menjadi persamaan 2-23 berikut ini.
25 0.25 p/62 SAT e T
[ Lit. 2... ...hal:165] 2- 21 Dimana :
= flux panas permukaan [MW/m2]p = Tekanan fluida [bar] 2.3. Perpindahan Panas Pada
Satureted Boiling
Setelah melewati daerah daerah berkembang penuh pada subcooled
boiling, perpindahan panas yang terjadi adalah perpindahan panas dua fasa, yaitu fasa uap dan air. Seiring dengan itu kualitas uap bertambah. Besarnya penambahan kualitas uap tersebut setelah melewati daerah berkembang penuh berbeda dengan sebelum berkembang penuh. Hal ini karena dalam daerah berkembang penuh perpindahan panas kepada aliran dua fasa, sedangkan sebelum daerah berkembang penuh sebagian ke fasa tunggal air, dan sebagian ke gelembung uap.Kualitas uap mulai memiliki harga setelah gelembung terpisah dari dinding pipa (zd). Grafik
kualitas uap dapat dilihat pada gambar 2.4
Gambar 2. 4 Kualitas Uap pada derah Subcooled dan Saturated boiling [ Lit. 1. hal:179 ]
Z
SCZ
*Z
NB57
Persamaan 2-22 berikut ini digunakan untuk menghitung kualitas uap setelah melewati daerah berkembang penuh (fully development region) atau z > z*.
(
)
4
(
SC)
fgz
z
i
G
D
z
x
[ Lit. 1.... ...hal:207] 2- 22 Sedangkan kualitas uap sebelum melewati daerah berkembang penuh (fully development region) z < z* dihitung dengan menggunakan persamaan 2-24 berikut ini.
(
)
)
1
(
4
)
(
'
d fgz
z
i
G
D
z
x
[ Lit. 1. ...hal:207] 2- 23 Dimana : dz
= Panjang pipa sehingga uap lepas dari dinding pipa f i SUB pf d Gv T D c G z
) ( 4 *z
= panjang pipa sehingga fluida mengalami penguapan berkembang penuh
f i SUB pfv
G
T
D
c
G
z
)
(
4
*]
/
[
10
]
1
.
0
14
[
p
6 0C
m
3J
Untuk tekanan 1-9.5 bar
fg pf g f i c
) 1 3.2 1 (Untuk tekanan 9.5-50 bar
3 . 2 ) 1 (
Untuk tekanan diatas 50 bar
6
.
2
)
1
(
2.4. Perpindahan Panas pada daerah postdryout
Daerah postdryout dimulai dari posisi dryout sampai kepada uap superheat hingga keluar pipa penguap. Dalam daerah ini umumnya aliran fluida adalah annular atau wispy annular. Seiring dengan bertambahnya kualitas uap, pada titik tertentu akan mencapai kualitas uap 100% secara teoritis,
panjang pipa hingga fluida mencapai kualitas uap 100% atau posisi equalibrium (zEQ) dihitung dengan persamaan 2-24 berikut ini.
z
EQDG
i
fgx
DO
z
DO
(
1
)
4
... ...[ Lit. 1. hal:233] 2- 24 Dimana : EQz = Panjang pipa hingga mencapai kualitas uap 100% atau posisi equalibrium [m]
= flux panas permukaan [W/m2]DO
z
= Panjang pipa hingga fluida mencapai titik Dryout/kritis [m]DO
x
= kualitas uap pada posisi dryoutG = Kecepatan aliran [kg/m2s]
D = Diameter pipa [m]
fg
i
= Panas laten pengupan Distribusi kualitas uap pada daerah postdryout dihitung dengan persamaan 2-25
4
(
)
)
(
* DO fg DOz
z
i
DG
x
z
x
...[ Lit. 1 hal:233] 2- 24 Dimana :)
(
*z
x
= Kualitas uap pada posisi z pada pipaz = Posisi pada pipa. Yaitu daerah antara posisi dryout hingga kualitas uap mencapai 100%
= Rasio
a/
cNamun panjang pipa hingga fluida mencapai kualitas uap 100% secara aktual (
z
*) dihitung denganpersamaan 2-26 berikut ini.
z
DG
i
fgx
DO
z
DO
(
1
)
4
*
[ Lit. 1. ...hal:234] 2- 25658
Distribusi temperatur fluida pada pipa untuk z < z*, dihitung dengan
persamaan 2-27, untuk z < z*, dihitung
dengan persamaan 2-28. D c G z z T z T pg DO SAT g ) ( ) 1 ( 4 ) (
...[ Lit. 1. hal:235] 2- 267 D c G z z T z T pg EQ SAT g ) ( 4 ) (
[ Lit. 1. ...hal:235] 2- 278 3. PEMBAHASANSeiring dengan bertambahnya kualitas uap, fluida akan mengalami titik kritis atau sering disebut Dryout dan Departure Nucleat boiling (DNB). Istilah Dryout digunakan untuk flux panas rendah serta kualitas uap tinggi saat melewati titik kritis. Departure Nucleat boiling (DNB) untuk flux panas tinggi dan kualitas uap rendah saat melewati titik kritis. Pada Dryout, Fluida cair sudah tidak kelihatan secara fisik, tetapi berbentuk butir-butir air diantara uap, dan aliran setelah melewati titik kritis adalah aliran drop dan sebelum melewati titik kritis alirannya adalah aliran annular (Gambar 3.1).
Gambar 3.1 Dryout
Pada DNB, dapat terjadi saat subcooled boiling dan saturasi sebelum kualitas uap mencapai kurang lebih 50%, umumnya aliran setelah titik kritis adalah aliran wispy annular. Peta untuk melihat proses penguapan dapat dilihat pada gambar 3.2. Untuk flux panas konstan garis i, ii, iii, iv, v, vi dan vi. Untuk flux panas permukaan rendah (i, ii), garis penguapan melewati perpindahan panas fasa cair, lalu daerah subcooled boiling, saturated boiling, perpindahan panas dua fasa dan melewati titik dryout. Namun untuk flux panas menengah (iii, iv, v) garis melewati perpindahan panas fasa cair dengan singkat, lalu subcooled boiling agak panjang dan melewati saturasi namun tidak melewati perpindahan panas dua fasa dan langsung melewati titk kritis dengan kondisi DNB pada saturasi. Dan untuk flux panas tinggi (vi, vii) tidak melewati perpindahan panas fasa cair tetapi langsung ke subcooled dan melewati titik kritis dalam kondisi DNB subcooled dengan subcooled film boiling.
59
Setelah melewati titik kritis temperatur akan naik secara dratis, karena koefisien perpindahan panas
turun secara drastis akibat dinding pipa dipenuhi oleh uap (Single Phasa Vapor).
Gambar 3. 3 Grafik Temperatur Fluida dan Dinding pipa setelah melewati Flux panas Kritis (Critical Heat Flux) [ Lit. 4. hal:5-3]
4. KESIMPULAN
1. Untuk flux panas yang tinggi, DNB atau dryout ini bisa mengakibatkan kerusakan pipa karena menerima
panas yang berlebihan
(overheating), bahkan dapat mengakibatkan pipa meleleh, atau jika pipa melewati temperatur kritis materialnya, akan mempercepat kerusakan pipa tersebut karena kelelahan. Dan bahkan bagian dalam pipa bisa mengalami korosi. Oleh karena itu, analisa titik kritis sangat penting dalam perencanaan pipa ketel.
2. Untuk pipa yang dipanasi dengan flux panas permukaan konstan, flux panas kritisnya adalah flux panas permukaan tersebut. Sehingga untuk mengetahui titik kritisnya adalah dengan menghitung kualitas uap pada saat titik kritis tersebut.
DAFTAR PUSTAKA
1. Collier, John G. “Convective Boiling and Condensation”.
Second Edition. McGraw Hill. New York: 1972.
2. Incropera. Frank P. dkk “Fundamental of Heat and Mass Transfer”. Jhon Wiley & Sons, Inc. New York: 1985.
3. Schltinder, Ernst U. dkk“Heat Exchanger Design Handbook”. Hemisphere Publishing Corporation. New York: 1983.
4. Steam, its Generation and Use
Edisi 41. The Babcock and Wilcox Company. New York
5. Holman, J. P., dan Jasjfi, E. (penerjemah), “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Erlangga : Jakarta, 1994.
6. Djokosetyardjo, Ir. M.J.”Ketel Uap”. PT Pradnya Paramita. Jakarta:1932