Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
KAJIAN TERBENTUKNYA GELEMBUNG UAP PADA PIPA-PIPA EVAPORATOR KETEL PIPA AIR Tekad Sitepu Staf 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 ( ) konstan
51
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
dihitung dengan menggunakan persamaan 2-1 berikut ini. 2- 1 qconv . A Dimana : A = Luas permukaan yang dipanasi. Dalam pipa luas penampang yang dipanasi adalah π.D.z = Fluks panas pada permukaan pipa qconv = Perpindahan panas konveksi z = Panjang pipa Sehingga untuk pipa dengan diameter D, besar perpindahan panas yang terjadi adalah : 2- 2 q conv D z Sedangkan perpindahan panas pada fluida didalam pipa adalah :
qconv 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 22dan 2-3 diatas persamaan menjadi:
D z W f . c pf . (T f ( z ) T fi ) Laju aliran massa W f
sering
dibuat dalam kecepatan massa (G ) hubungan antara keduanya adalah seperti persamaan 2-5.
G
4W f
2- 5
D2
Sehingga 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.
T f ( z ) T fi
4 z G c pf D
2- 6
Temperatur permukaan dinding pipa adalah temperatur lokal fluida ditambah dengan perbedaan
temperatur dinding dengan temperatur lokal :
Tw (T f ( z ) T f ) ......[ Lit. 1..... ......hal:145]
2- 7
Dimana :
T f / h fo .........[ Lit. 1.....
...hal:145] Sehingga persamaan 2-7 diatas menjadi
Tw T f ( z )
2- 8
2- 9
h fo
Untuk mendapatkan hfo dihitung dari bilangan Nusselt menurut persamaan
NuD
h fo D
2- 10
kf
Dimana :
NuD h fo
= bilangan Nusselt
kf D
= konduktivitas thermal fluida
= koefisien konveksi fluida = diameter pipa
Bilangan Nusselt untuk aliran laminar dalam pipa Nu D 0.17 Re
0.33
Pr f
0.43
Pr f Prw
0.25
..[ Lit. 2. hal:440]
D 3 f 2 gT f 2
0.1
2- 11
2- <4 2000, berlaku untuk z/D > 50 dan Re Sedangkan untuk aliran Turbulen dalam pipa digunakan persamaan Dittus-Boelter, yang berlaku untuk z/D > 10 dan Re>3000. 0.4 NuD 0.023 Re0.8 Prf ......[ Lit. 2. .........hal:445]
2- 12
2.2. Perpindahan Panas Pada Subcooled 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)
52
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
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 (TSAT )ONB ). Sehingga pembentukan Gelembung pada dinding pipa terjadi TW TSAT (TSAT )ONB . Oleh saat karena Penambahan temperatur tersebut posisi pembentukan gelembung pada dinding pipa akan bergeser atau bertambah. Pergeseran h fo posisi ini dinamakan Onset Nucleat boiling (ONB). Temperatur fluida ( Tf ) di pusat 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 2-13 Untuk 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. G c pf D ( TSUB )i ( TSAT )ONB 1 zNB 4 h fo ........[ Lit. 1. hal:146] 2- 13 Dimana :
(TSUB )i
= Beda temperatur saturasi dengan temperatur fluida masuk pipa (TSAT )ONB = Beda temperatur dinding pipa saat Onset Nucleat boiling dengan Temperatur Saturasi = koefisien konveksi fluida
z NB
c pf
= panjang pipa sampai terjadinya nucleat boiling = koefisien panas konveksi pada fasa cair = Flux panas permukaan
53
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
Pembentukan gelembung uap pada pusat pipa akan terjadi saat temperatur fluida pada pusat pipa sama dengan temperatur saturasi fluida ( T f (z ) = TSAT ). 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.
z sc
G c pf D 4
(TSAT T fi ) [ Lit. 1. ..
.....hal:145] 2- 14 Sehingga 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 .
z SC z NB
G c pf D 1 ( TSAT )ONB 4 h fo
......[ Lit. 1. hal:146] 2- 15 Distribusi temperatur dari dinding pipa sampai pusat pipa dapat diketahui dengan menggunakan persamaan 2-16 berikut ini.
ISSN 0216 - 7492
T f ( y ) TW
y
[ Lit. 1....
kf
.... hal:150]
2- 16
Besar harga penambahan temperatur dari temperatur saturasi pada saat Onset Nucleat boiling (TSAT )ONB belum diketahui. Untuk mengetahui harga (TSAT )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 persamaan 2-17 .
( SCB )
menurut
SPL SCB
[ Lit. 1.... ...... hal:156] 2- 17
Gambar 2. 2 Grafik Flux panas permukaan dan Temperatur permukaan pada daerah subcooled boiling
54
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
Dimana seiring dengan bertambahnya kualitas uap mulai saat fluida mencapai temperatur saturasi, akan berkurang karena SPL berkurangnya fluida cair dan SCB akan bertambah. Namun pengurangan SPL masih sebanding dengan penambahan SCB , 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 pada Rasio flux panas permukaan SPL
dinding. 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 ( TSUB (z ) ) adalah seperti gambar 2.3 berikut.
TW=TSAT 1
0
ONB
FDB
0 Point Subcooled, T (z ) SUB
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) ( TSUB ( zNB ) ), menurut Bowring digunakan Persamaan 2-18 berikut ini.
TSUB ( z NB ) n [ Lit. 1. h fo ......hal:149]
2- 18
Sedangkan 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 [ Lit. 1 TSUB ( z ) FDB 1.4 h fo
1.4
.....hal:158]
2- 19
Persamaan umum untuk TSAT adalah
TSAT n
[ Lit. 1. hal:148] ........ 2- 20
55
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
Menurut Jens dan Lottes untuk air, besar harga 25 e p / 62 dan harga n 0.25 , sehingga persamaan 2-20 untuk daerah subcooled boiling menjadi persamaan 2-23 berikut ini.
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
TSAT 25 0.25e p / 62
[ 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
Z* ZSC ZD ZNB
Gambar 2. 4 Kualitas Uap pada derah Subcooled dan Saturated boiling [ Lit. 1. hal:179 ]
56
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
Persamaan 2-22 berikut ini digunakan untuk menghitung kualitas uap setelah melewati daerah berkembang penuh (fully development region) atau z > z*.
4 x( z ) ( z zSC ) [ Lit. 1.... D G i fg ......hal:207]
2- 22
Sedangkan kualitas uap sebelum melewati daerah berkembang penuh (fully development region) z < z* di hitung dengan menggunakan persamaan 2-24 berikut ini.
4 x' ( z ) ( z z d ) [ Lit. 1. D G i fg (1 ) .......hal:207]
2- 23
Dimana : zd = Panjang pipa sehingga uap lepas dari dinding pipa
zd
G c pf D ( TSUB ) i 4 Gv f
z * = panjang pipa sehingga fluida mengalami penguapan berkembang penuh
z*
G c pf D ( TSUB ) i 4 Gv f
[14 0.1 p] 10 6
[ 0C m3 / J ]
Untuk tekanan 1-9.5 bar
(1 ) 1 3.2 f g
c pf i fg
Untuk tekanan 9.5-50 bar
(1 ) 2.3
Untuk tekanan diatas 50 bar
(1 ) 2.6
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 ( z EQ ) dihitung dengan persamaan 2-24 berikut ini.
DG i fg z EQ (1 x DO ) z DO ... 4 ......[ Lit. 1. hal:233]
2- 24
Dimana :
z EQ
z DO xDO G D i fg
= Panjang pipa hingga mencapai kualitas uap 100% atau posisi equalibrium [m] = flux panas permukaan [W/m2] = Panjang pipa hingga fluida mencapai titik Dryout/kritis [m] = kualitas uap pada posisi dryout = Kecepatan aliran [kg/m2s] = Diameter pipa [m] = Panas laten pengupan
Distribusi kualitas uap pada daerah postdryout dihitung dengan persamaan 2-25
4 x * ( z ) x DO ( z z DO ) DG i fg .....[ Lit. 1 hal:233]
2- 24
Dimana :
x* ( z ) = Kualitas uap pada posisi z pada pipa = Posisi pada pipa. Yaitu daerah antara posisi dryout hingga kualitas uap mencapai 100% = Rasio a / c Namun panjang pipa hingga fluida mencapai kualitas uap 100% secara aktual ( z* ) dihitung dengan persamaan 2-26 berikut ini.
z
DG i fg z* (1 xDO ) zDO [ Lit. 1. 4 ..........hal:234]
2- 256
57
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
ISSN 0216 - 7492
Distribusi temperatur fluida pada pipa untuk z < z*, dihitung dengan persamaan 2-27, untuk z < z*, dihitung dengan persamaan 2-28.
4(1 ) ( z z DO ) Tg ( z ) TSAT G c pg D ......[ Lit. 1. hal:235]
2- 267
4 ( z z EQ ) Tg ( z ) TSAT [ Lit. 1. G c pg D ......hal:235]
2- 278
3. PEMBAHASAN Seiring 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.
Gambar 3.2 Pengaruh Fluks panas pada sifat aliran dua fasa [ Lit. 3. hal:2.7.3-4]
58
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 5, Juni 2009
Setelah melewati titik kritis temperatur akan naik secara dratis, karena koefisien perpindahan panas
ISSN 0216 - 7492
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.
2.
3.
4. 5.
6.
Second Edition. McGraw Hill. New York: 1972. Incropera. Frank P. dkk “Fundamental of Heat and Mass Transfer”. Jhon Wiley & Sons, Inc. New York: 1985. Schltinder, Ernst U. dkk“Heat Exchanger Design Handbook”. Hemisphere Publishing Corporation. New York: 1983. Steam, its Generation and Use Edisi 41. The Babcock and Wilcox Company. New York Holman, J. P., dan Jasjfi, E. (penerjemah), “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Erlangga : Jakarta, 1994. Djokosetyardjo, Ir. M.J.”Ketel Uap”. PT Pradnya Paramita. Jakarta:1932
DAFTAR PUSTAKA 1. Collier, Boiling
John G. “Convective and Condensation”.
59
