Perpindahan Panas Dan Pembentukan Uap Air Pada Boiler

Titik didih suatu cairan atau dikenal juga dengan temperatur saturasi adalah temperatur dimana tekanan uap cairan sama dengan tekanan lingkungan sekitar cairan tersebut. Pada titik ini cairan akan berubah fase menjadi uap. Temperatur saturasi dari air pada tekanan atmosfer adalah 100^oC. Pada titik inilah air akan berubah fase menjadi uap dengan membentuk gelembung-gelembung uap air.
Temperatur saturasi menjadi sebuah fungsi yang unik dari tekanan. Semakin tinggi tekanan di sekitar air maka akan semakin tinggi pula titik didihnya, dan apabila semakin rendah tekanan di sekitar air tersebut maka semakin rendah pula titik didih air tersebut. Hal tersebut disebabkan karena tekanan air akan mempengaruhi karakteristik –seperti entalpi (kandungan kalor) air, panas laten, dan entalpi uap– dari uap air yang terbentuk pada tekanan tersebut.

Pada kondisi tekanan kritis 3200 psi (22,1 MPa) misalnya, panas laten yang dibutuhkan untuk membentuk uap air menjadi nol, dan pada kondisi ini tidak akan timbul gelembung-gelembung uap pada saat proses evaporasi. Sehingga proses transisi perubahan fase air menjadi uap air pada kondisi tersebut akan terjadi secara lebih smooth. Atas dasar fenomena inilah dikenal sebuah teknologi boiler bernama critical boiler. Boiler ini bekerja dengan mensirkulasikan air-uap air pada pipa-pipa boiler dengan tekanan kritis 22,1 MPa (221 bar).

Kurva Didih (Boiling Curve)

Pada kesempatan kali ini saya ingin memperkenalkan kepada Anda sebuah kurva bernama boiling curve (kurva didih). Kurva ini akan menjelaskan kepada kita bagaimana karakteristik terjadinya proses pendidihan air. Penelitian dilakukan dengan jalan mencelupkan sebuah logam (metal) panas yang dijaga temperaturnya, ke dalam sejumlah air di suatu wadah. Kecepatan (rate) perpindahan panas tiap satuan luas atau disebut dengan heat flux (fluks kalor) mengisi sumbu Y kurva. Sedangkan sumbu X diisi oleh diferensial temperatur antara permukaan metal dengan air disekitarnya.

Dari titik A ke B, perpindahan panas secara konveksi akan mendinginkan metal sehingga proses pendidihan akan tertahan. Pada saat sedikit melewati titik B, dikenal sebagai proses awal proses pendidihan, dimana temperatur air secara cepat akan menyesuaikan dengan temperatur permukaan metal dan semakin mendekati temperatur saturasinya. Gelembung-gelembung uap air mulai terbentuk di permukaan metal. Secara periodik gelembung-gelembung tersebut akan kolaps (mengecil) karena berinteraksi dengan air lainnya. Fenomena ini disebut dengan subcooled boiling, dan ditandai dengan titik B dan S pada kurva. Pada proses ini, kecepatan perpindahan panas cukup tinggi, namun masih belum terbentuk sejumlah uap air. Dari titik S ke C, temperatur air sudah mencapai temperatur saturasi dengan lebih merata. Gelembung uap tidak lagi mengalami kolaps dan mengecil, ia akan semakin besar dan terbentuk semakin banyak gelembung uap. Kurva area ini biasa diberi sebutan nucleate boilling region, yang memiliki kecepatan perpindahan panas cepat, serta temperatur permukaan metal lebih besar sedikit dari temperatur saturasi air.
Mendekati titik C, permukaan evaporasi akan semakin luas. Pada saat ini proses pembentukan uap terjadi sangat cepat sehingga menyebabkan uap yang terbentuk seakan-akan menghalangi air untuk mendekati permukaan metal. Permukaan metal menjadi terisolasi oleh semacam lapisan film yang tersusun oleh uap air, sehingga mengakibatkan penurunan kecepatan perpindahan panas. Proses ini (C-D) dikenal dengan sebutan critical heat flux (CHF), dimana proses perpindahan panas dari metal ke air menjadi lambat karena adanya lapisan film yang terbentuk.
Lebih lanjut, seperti digambarkan dengan titik D ke E, disebut dengan proses unstable film boilling. Dimana pada saat ini temperatur permukaan kontak metal-fluida tidak mengalami kenaikan. Konsekuensinya adalah terjadinya penurunan performa perpindahan panas per luas area serta penurunan proses transfer energi. Dari titik E melewati D’ ke F, lapisan insulasi uap air pada permukaan metal menjadi sangat efektif. Sehingga perpindahan panas dari permukaan metal melewati lapisan film ini terjadi dengan cara radiasi, konduksi, serta mikro-konveksi ke permukaan air yang berbatasan dengan lapisan film. Pada fase ini proses evaporasi berlanjut dengan ditandai terbentuknya gelembung-gelembung uap air. Fase ini dikenal dengan sebutan stable film boiling.

Pembentukan Uap Air Pada Pipa Boiler

Proses pembentukan uap air pada boiler pipa air secara teoritis mengacu juga pada boiling curve. Secara lebih detail, proses pembentukan uap air tersebut dapat Anda lihat prosesnya pada gambar di atas. Yang membedakan dengan proses pembentukan uap air biasa adalah, proses pembentukan uap air pada boiler pipa air terjadi pada aliran air dengan kecepatan debit aliran tertentu. Proses ini dikenal dengan istilah forced convection boiling, yang prosesnya lebih kompleks dengan melibatkan aliran fluida dua fase, gaya gravitasi, fenomena material, serta mekanisme perpindahan panas.
Gambar kedua di atas adalah sebuah proses pendidihan air pada pipa berpenampang lingkaran yang panjang serta dipanasi secara merata. Pada saat mendekati titik (1), air masuk ke pipa dan secara konveksi menjadi media pendingin pipa. Tepat pada titik (1) mulai terbentuk gelembung-gelembung uap air, menjadi tanda bahwa proses awal pendidihan dimulai. Pada titik (2) temperatur air semakin tinggi dan mencapai temperatur saturasinya dan mencapai fase nucleate boiling region. Pada fase ini campuran air dengan uap air membentuk sebuah aliran yang bergelembung, dan membentuk lingkaran seperti gelang (annular flow). Fenomena ini sebagai hasil interaksi yang kompleks antara gaya tegangan permukaan, fenomena dua permukaan, penurunan drastis tekanan, massa jenis air-uap air, serta efek momentum dari proses pendidihan pada permukaan pipa.
Proses perpindahan panas terus berlangsung sehingga pada titik (3) annular flow membesar dan terbentuk lapisan film air pada dinding pipa. Perpindahan panas selanjutnya terjadi secara konduksi dan konveksi dengan melewati lapisan film tersebut, sehingga proses evaporasi terjadi pada pertemuan lapisan air dengan uap air. Mekanisme perpindahan panas ini disebut pendidihan konveksi, yang juga menghasilkan kecepatan perpindahan panas yang tinggi.
Pada titik (4) proses perpindahan panas mencapai CHF (Critical Heat Flux), dimana lapisan film air pada dinding pipa digantikan dengan lapisan film berupa uap air. Pada fase ini ada beberapa resiko fenomena yang mungkin terjadi, yaitu:

1. Kenaikan temperatur metal pipa yang terlalu tinggi sehingga dapat merusak pipa tersebut.
2. Kerugian perpindahan panas. Dan,
3. Perubahan fluktuasi temperatur yang sangat mungkin dapat menyebabkan kerusakan termal (thermal fatigue failures).

Dari titik (4) ke (5) disebut perpindahan panas post-CHF, yang terjadi dengan sangat kompleks. Setelah titik (5), semua air telah terevaporasi dan berubah fase menjadi uap air.

Single-lead Ribbed Tube

Multi-lead Ribbed Tube

Beberapa kerugian yang mungkin terjadi pada saat fase perpindahan panas CHF di atas, menghasilkan inovasi dengan dikembangkannya pipa boiler berulir. Ada dua jenis pipa ulir boiler, yakni tipe single-lead ribbed tube dan multi-lead ribbed tube. Pipa ulir ini memperbaiki performa CHF, dengan efek samping penurunan tekanan yang masih dapat ditoleransi namun dapat menghilangkan efek samping lain yang lebih berbahaya. Ulir pipa mengakibatkan aliran berputar yang menghasilkan gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal dari fluida terhadap dinding pipa akan menghalangi terbentuknya lapisan film sampai terbentuk uap air yang berkualitas dengan heat flux yang tinggi.


Sumber :
http://artikel-teknologi.com/perpindahan-panas-dan-pembentukan-uap-air-pada-boiler/