Setiap kali Anda merebus air dalam ketel, Anda menciptakan uap.
Namun, bukan sebagai produk sampingan dari perebusan air, uap adalah sumber energi panas yang kuat, serbaguna, dan efisien. Itulah mengapa uap digunakan secara luas di berbagai industri.
Dalam artikel ini, kita akan mengeksplorasi di mana uap digunakan, cara mengendalikan energi dalam uap, dan mengapa uap begitu efisien untuk mentransfer panas ke proses industri.
Industri mana yang menggunakan uap untuk energi termal?
Banyak industri mengandalkan uap untuk panas atau energi termal. Perusahaan dan organisasi menggunakan energi termal untuk menyediakan suhu tinggi bagi proses kritis.
Dalam industri makanan dan minuman, uap digunakan pada berbagai tahap selama manufaktur, termasuk pasteurisasi, memasak, pembersihan, dan pengeringan. Misalnya, panas dari uap memasak kacang panggang mentah di dalam kalengnya.
Sementara di sektor kesehatan, rumah sakit menggunakan uap bertekanan tinggi untuk mensterilkan peralatan bedah dalam autoklaf. Uap membunuh mikroorganisme dan spora, memastikan bahwa instrumen medis aman digunakan tanpa memerlukan bahan kimia.
Industri-industri ini, dan banyak lainnya, menggunakan uap karena sifat uniknya sebagai sumber energi termal yang efisien.
Di mana uap diproduksi dan digunakan?
Uap diproduksi di ruang ketel (A) dan didistribusikan melalui pipa ke proses yang membutuhkan energi termal. Setiap proses menggunakan penukar panas (B) untuk mentransfer sebagian energi termal dalam uap ke proses tersebut. Uap melepaskan energi ini dengan mengkondensasi pada permukaan yang lebih dingin dan membentuk kondensat cairan; cairan kembali ke ruang ketel, di mana ia memasok ketel dan menghasilkan uap lebih lanjut. Seluruh proses dikenal sebagai loop uap-kondensat.
Berapa banyak energi termal yang terkandung dalam uap?
Anda dapat menghitung jumlah energi termal dalam uap menggunakan tabel uap. Tabel ini menunjukkan hubungan antara tekanan, suhu, volume, dan yang terpenting, berapa banyak energi yang terkandung dalam uap. Dengan pengetahuan ini, Anda dapat menyesuaikan energi dalam uap untuk proses yang berbeda.
Tabel uap
Pada tekanan atmosfer, 0 bar g, air mendidih pada 100 C (seperti dalam ketel). Baris pertama dalam tabel uap menunjukkan bahwa 419 kJ/kg energi, yang dikenal sebagai entalpi air, diperlukan untuk membawa air ke titik didihnya.
Untuk menghasilkan uap, Anda perlu menambahkan 2.257 kJ/kg energi lagi, yang disebut entalpi penguapan atau energi berguna. Meskipun total energi dalam uap sekarang adalah 2.676 kJ/kg, hanya energi berguna yang akan ditransfer ke proses ketika uap mengkondensasi dalam penukar panas.
Tabel uap mengasumsikan Anda menghasilkan uap jenuh kering. Namun, dimungkinkan juga untuk menghasilkan uap basah dan uap panas berlebih, yang ditunjukkan dalam diagram fasa uap.
Diagram fasa uap
Titik A menunjukkan informasi yang setara dari baris pertama tabel uap, di mana pada 0 bar g diperlukan 419 kJ/kg entalpi (energi panas) untuk air mencapai titik didih 100 C dan mulai menguap.
Garis antara titik A dan titik B menunjukkan perjalanan air mendidih saat Anda menambahkan 2.257 kJ/kg energi panas lagi. Pada B, air telah sepenuhnya menguap menjadi uap jenuh kering. Garis merah pada diagram adalah garis uap jenuh kering. Uap yang diproduksi antara A dan B adalah uap basah karena masih mengandung kelembaban. Uap di sebelah kanan garis uap jenuh kering adalah uap panas berlebih.
Jenis uap mana yang paling efisien untuk perpindahan panas?
Uap jenuh kering
Uap jenuh kering adalah jenis uap ideal untuk perpindahan panas karena paling efisien untuk proses dan menciptakan lebih sedikit tantangan rekayasa. Uap kering karena tidak mengandung kelembaban dan jenuh karena penuh energi. Uap tidak dapat mengandung lebih banyak energi pada suhu dan tekanan tersebut.
Uap basah
Uap basah kurang efisien daripada uap jenuh kering karena mengandung lebih sedikit energi. Dengan uap basah, proses akan menerima lebih sedikit energi dan massa uap yang lebih kecil, yang kemungkinan akan memperpanjang waktu proses, melewatkan suhu target yang diperlukan, atau menyebabkan kerusakan produk.
Uap panas berlebih
Uap panas berlebih memiliki suhu lebih tinggi daripada uap jenuh pada tekanan yang sama. Meskipun beberapa pabrik uap menghasilkan uap panas berlebih untuk pembangkitan listrik, uap panas berlebih tidak dianjurkan untuk perpindahan panas karena memiliki laju perpindahan panas yang lebih rendah. Uap panas berlebih juga memerlukan area perpindahan panas yang lebih besar daripada uap jenuh kering.
Mengapa uap lebih efisien daripada air panas suhu rendah (LTHW) untuk perpindahan panas?
Uap jenuh kering lebih efisien untuk perpindahan panas daripada alternatif seperti air panas suhu rendah (LTHW) karena sifat uniknya.
Tekanan mengendalikan energi termal dalam uap
Mengubah tekanan memungkinkan Anda memanipulasi uap untuk memenuhi kebutuhan proses, termasuk jumlah energi termal yang dikandungnya.
Ketika Anda memanaskan air di bawah tekanan, ia memiliki titik didih yang lebih tinggi, sehingga lebih banyak energi termal yang diperlukan. Dari tabel uap, pada 5 bar g, air mendidih pada 159 C dan membutuhkan 671 kJ/kg energi untuk mencapai titik didih. Namun, mengubah air mendidih menjadi uap membutuhkan lebih sedikit energi termal daripada pada tekanan lebih rendah. Pada 5 bar g, Anda membutuhkan 2.086 kJ/kg energi, dibandingkan dengan 2.257 kJ/kg pada 0 bar g.
Mengetahui dampak tekanan, Anda dapat menghasilkan uap di bawah tekanan tinggi di ruang ketel dan kemudian mendistribusikannya ke proses. Ketika uap mencapai penukar panas, menurunkan tekanan akan meningkatkan jumlah energi berguna yang ditransfer ke proses.
Uap memiliki kandungan panas lebih tinggi dari LTHW
Uap diproduksi pada suhu dan tekanan yang jauh lebih tinggi daripada LTHW, sehingga memiliki kandungan panas yang secara signifikan lebih tinggi dan dapat mentransfer lebih banyak energi panas ke proses. Dengan kata lain, lebih sedikit uap yang diperlukan daripada LTHW untuk menghasilkan efek pemanasan yang sama.
Misalnya, bandingkan penukar panas uap-ke-air dengan penukar air-ke-air yang dirancang untuk mentransfer 11 C ke proses. Dengan satu kilogram uap, ada 50 kali lebih banyak energi panas berguna daripada satu kilogram LTHW. Itu berarti Anda membutuhkan 50 kali lebih sedikit uap untuk efek pemanasan yang sama, karena air memiliki kapasitas panas jenis 4,19 kJ/kg C sementara energi panas berguna dalam uap adalah 2.200 kJ/kg.
Uap mentransfer panas tiga kali lebih cepat dari LTHW
Uap mentransfer energi panas lebih cepat dari LTHW karena melepaskan energi panasnya dengan mengkondensasi. Koefisien perpindahan panas, yang mengukur kecepatan perpindahan panas, kira-kira tiga kali lebih besar dengan penukar panas uap-ke-air daripada dengan penukar panas air-ke-air.
Karena uap menyediakan laju perpindahan panas yang lebih cepat, area permukaan yang lebih kecil juga diperlukan dalam penukar panas untuk mentransfer jumlah energi panas yang sama. Akibatnya, penukar panas uap-ke-air membutuhkan jejak yang lebih kecil daripada penukar panas air-ke-air yang setara.
Uap mentransfer panas secara merata di seluruh area permukaan
Uap adalah gas, sehingga menyebar untuk mengisi ruang. Dalam penukar panas uap-ke-air, ada penyebaran panas yang merata di seluruh area permukaan perpindahan panas dibandingkan dengan penukar panas air-ke-air.
Menggunakan uap untuk perpindahan panas meminimalkan titik dingin dalam penukar panas dan menyediakan perpindahan panas yang lebih konsisten.
Uap: Pilihan efisien untuk perpindahan panas
Uap adalah sumber energi termal yang menarik bagi banyak industri karena efisiensinya. Mengubah tekanan memungkinkan Anda menyesuaikan energi berguna dalam uap. Kandungan panas dan kecepatan transfer uap secara signifikan lebih besar dari LTHW. Selain itu, uap membutuhkan area permukaan perpindahan panas yang lebih kecil daripada sumber energi lainnya.
