kajian terbentuknya gelembung uap

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 gT 


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

Gv 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