Akumulator Uap

Gambaran lengkap tentang kebutuhan penyimpanan uap untuk memenuhi permintaan beban puncak di industri tertentu, termasuk desain, konstruksi, dan operasi akumulator uap, beserta perhitungannya.

Tujuan dari akumulator uap adalah melepaskan uap ketika permintaan lebih besar dari kemampuan ketel untuk memasok pada saat itu, dan menerima uap ketika permintaan rendah. Akumulator uap kadang-kadang dianggap sebagai peninggalan ‘zaman uap’ dengan sedikit aplikasi di industri modern.

Desain ketel

Ketel kontemporer secara signifikan lebih kecil dari pendahulunya hanya 30 tahun lalu. Pengurangan ukuran ketel ini telah dibawa oleh pengguna, yang menuntut agar ketel:

• Lebih efisien dalam hal input bahan bakar ke output uap.
• Lebih responsif terhadap perubahan permintaan.
• Lebih kecil, sehingga memakan lebih sedikit ruang lantai.
• Lebih murah untuk dibeli dan dipasang. Target-target ini telah terpenuhi sebagian berkat kontrol/burner yang lebih canggih saat ini yang merespons lebih cepat dan lebih akurat terhadap perubahan permintaan dibandingkan tahun-tahun sebelumnya. Namun, respons ketel terhadap perubahan permintaan juga dipengaruhi oleh hukum alam, misalnya: berapa banyak air yang akan dipanaskan dan area perpindahan panas yang tersedia untuk mentransfer panas dari nyala burner ke air. Waktu respons telah ditingkatkan dengan secara fisik mengurangi dimensi eksternal ketel untuk keluaran tertentu, dan dengan memenuhi bagian dalam dengan tabung untuk meningkatkan area perpindahan panas. Ini berarti ketel modern menampung lebih sedikit air, dan area perpindahan panas per kg air lebih besar. Pertimbangkan situasi saat ini:

1. Permintaan uap dari pabrik meningkat, dan tekanan dalam ketel turun ke titik setel kontrol burner.
2. Kontrol burner memurnikan ruang pembakaran, dan burner dinyalakan.
3. Area perpindahan panas yang besar dan massa air yang lebih rendah bergabung untuk dengan cepat menguapkan air dalam ketel untuk memenuhi permintaan uap. Seperti dibahas dalam Modul 3.7, ‘Perlengkapan dan Pemasangan Ketel Uap’, energi yang tersimpan dalam ketel terkandung dalam air yang dijaga pada suhu jenuh. Semakin besar jumlah air di dalam ketel, semakin besar jumlah energi tersimpan untuk mengatasi perubahan permintaan/beban. Tabel 3.22.1 membandingkan ketel Lancashire lama dari tahun 1950-an dengan ketel paket modern. Perhatikan bahwa ketel paket modern hanya mengandung 20% dari air yang ditampung dalam ketel Lancashire dengan peringkat serupa. Dari sini dapat disimpulkan bahwa cadangan energi yang dimiliki ketel paket modern hanya 20% dari ketel Lancashire. Ini menunjukkan bahwa ketel paket modern tidak dapat mengatasi permintaan puncak seperti yang bisa dilakukan ketel Lancashire lama. Perhatikan juga dari Tabel 3.22.1, bahwa ‘laju pelepasan uap’ dari permukaan air di dalam ketel paket modern telah meningkat dengan faktor 2,7. Ini berarti uap hanya memiliki 1/2,7 (40%) dari waktu yang tersedia dalam ketel Lancashire untuk memisahkan diri dari air. Pada saat permintaan puncak ini mungkin berarti bahwa uap basah sedang diekspor dari ketel paket modern, dan mungkin pada tekanan lebih rendah dari yang dirancang untuk beroperasi - Dibahas dalam Modul 3.12 ‘Mengontrol TDS dalam Air Ketel Uap’. Air yang terbawa bersama uap akan kotor (sekitar 3 000 ppm TDS), dan akan mengontaminasi katup kontrol dan permukaan perpindahan panas. Mungkin bahkan menyumbat beberapa orifis kecil dalam perangkat penginderaan tekanan, steam trap, dan sebagainya. Catatan: Informasi untuk membuat Tabel 3.22.1 disediakan oleh Thermsave. Unit imperial juga ditampilkan dalam Tabel untuk memberikan wawasan tentang faktor-faktor yang diterapkan dalam desain ketel di masa lalu.

Permintaan puncak

Permintaan uap pada pabrik proses apa pun jarang stabil, tetapi ukuran dan jenis fluktuasi tergantung pada aplikasi dan industrinya. Puncak mungkin terjadi seminggu sekali atau bahkan sehari sekali selama start-up. Masalah terbesar yang disebabkan oleh permintaan puncak biasanya terkait dengan industri pemrosesan batch:

• Pembutan bir.
• Tekstil.
• Binatu kering.
• Pengalengan.
• Pabrik blok beton ringan.
• Area khusus industri pembuatan baja.
• Industri karet dengan autoklaf besar. Untuk proses-proses ini puncak mungkin berat dan jangka panjang, dan diukur dalam pecahan jam. Atau, siklus beban dapat terdiri dari puncak jangka pendek yang sering dengan durasi singkat tetapi laju aliran instan sangat tinggi:
• Finishing kaus kaki.
• Karet.
• Cetakan plastik dan polistirena.
• Pengupasan dengan uap.
• Sterilisasi rumah sakit dan industri. Gambar 3.22.1, menunjukkan bahwa dalam setiap kasus permintaan hampir instan dan puncak jauh di atas beban rata-rata. Hasil dari permintaan tiba-tiba pada pabrik ketel adalah penurunan tekanan dalam ketel, karena ketel dan peralatan pembakaran terkaitnya tidak dapat menghasilkan uap pada laju yang ditarik. Permintaan puncak dan penurunan tekanan berikutnya dapat memiliki konsekuensi yang cukup serius pada produksi pabrik. Paling buruk, hasilnya adalah ‘lockout’ ketel, akibat kenaikan level air yang disebabkan oleh pendidihan cepat, diikuti oleh runtuhnya. Ini terlihat sebagai alarm level air rendah oleh kontrol level. Paling baik, uap yang dihasilkan basah dan terkontaminasi. Ini, dikombinasikan dengan penurunan tekanan, dapat menyebabkan:
• Peningkatan waktu proses.
• Pengurangan kualitas produk atau bahkan kerusakan atau kehilangan produk.
• Waterhammer di pipa uap utama yang menyebabkan kerusakan pada pipa dan perlengkapan, dan kemungkinan bahaya bagi personel. Untuk pabrik ketel, permintaan puncak bertanggung jawab untuk:
• Tingkat pemeliharaan yang lebih tinggi.
• Umur ketel yang berkurang.
• Efisiensi bahan bakar yang berkurang. Ini karena peralatan pembakaran terus-menerus berputar dari api rendah ke api tinggi, dan bahkan mati selama periode permintaan sangat rendah, hanya untuk menyala lagi beberapa menit kemudian, dengan semua efek pendinginan pra dan pasca-pembilasan. Beberapa ketel yang terlalu besar mungkin digunakan dalam upaya mengatasi permintaan puncak (dan penurunan permintaan berikutnya) yang tidak dapat dihindari menghasilkan efisiensi rendah. Untuk mengilustrasikan poin ini, dapat diasumsikan bahwa:
• Untuk rata-rata ketel uap, kurang dari 1% kerugian disebabkan oleh radiasi panas dari shell ketel (misalnya: 1% dari Peringkat Kontinu Maksimum (MCR) ketel).
• Jika ketel kemudian menghasilkan 50% dari MCR-nya, kerugian akibat radiasi adalah 2% relatif terhadap laju produksinya.
• Jika ketel menghasilkan 25% dari MCR-nya, kerugian adalah 4% dari laju produksinya. Dan seterusnya, hingga ketel hanya dipertahankan pada tekanan tanpa mengekspor uap ke pabrik. Pada titik ini, 1% dari MCR-nya adalah kerugian 100% relatif terhadap laju produksi uapnya. Jika pabrik ketel diukur untuk beban puncak, masalah muncul akibat ukuran berlebihan relatif terhadap permintaan rata-rata. Dalam praktik, ketel mungkin mati selama periode permintaan rendah. Jika ini kemudian diikuti oleh lonjakan permintaan tiba-tiba dan ketel tidak menyala, situasi alarm mungkin terjadi. Alarm akan berbunyi, ketel mungkin lockout dan pemulihan uap akan lambat dan melelahkan. Singkatnya, puncak bertanggung jawab untuk:
• Kehilangan produksi.
• Penurunan kualitas produk.
• Peningkatan waktu produksi.
• Kualitas uap yang buruk dari ketel.
• Efisiensi bahan bakar yang rendah.
• Biaya pemeliharaan tinggi.
• Umur ketel yang berkurang.

Teknik pemerataan beban

Ketel modern sangat efisien ketika dimuat dengan benar dan merespons dengan cepat terhadap peningkatan beban, selama ketel menyala. Namun, ketel shell konvensional umumnya tidak dapat memenuhi permintaan puncak besar dengan cara yang memuaskan dan harus dilindungi dari beban berfluktuasi besar. Berbagai metode digunakan untuk menciptakan pola beban yang stabil untuk melindungi pabrik ketel dari efek beban berfluktuasi besar.

Metode rekayasa:

Katup pemelihara tekanan (juga disebut katup surplus) dapat digunakan sebagai perangkat pengurangan beban dengan mengisolasi bagian non-esensial dari pabrik dan dengan demikian memberikan prioritas pada pabrik esensial, pengaturan tipikal ditunjukkan pada Gambar 3.22.2. Keberhasilan metode ini lagi-lagi tergantung pada keparahan puncak dan asumsi bahwa ketel menyala saat puncak berkembang. Katup surplus juga dapat dipasang langsung ke ketel atau di pipa uap utama ke pabrik, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.22.3. Tekanan setel harus:

• Kurang dari tekanan kontrol ‘api tinggi’, untuk mencegah gangguan kontrol surplus dengan kontrol burner.
• Cukup tinggi untuk mempertahankan tekanan dalam ketel pada level yang aman. Dalam hal pengukuran katup surplus, persyaratannya adalah penurunan tekanan minimum. Sebagai indikasi umum, katup ukuran pipa harus dipertimbangkan. Kontrol level air elemen dua atau elemen tiga. Ini dapat berhasil selama puncak tidak terlalu kuat dan ketel menyala saat puncak berkembang; ketel juga harus memiliki kapasitas yang cukup. Kontrol elemen dua menggunakan input dari kontrol level air ketel dan laju aliran uap untuk memposisikan katup kontrol air umpan. Kontrol elemen tiga menggunakan dua elemen di atas ditambah input dari perangkat pengukuran aliran air umpan untuk mengontrol laju aliran air umpan masuk, bukan hanya posisi katup kontrol air umpan. (Elemen ketiga ini hanya sesuai pada ketel yang menggunakan kontrol level modulasi di ruang ketel dengan ring main air umpan.) Contoh 3.22.1 Sebuah ketel berperingkat 5 000 kg/jam ‘From and At’ Pengaturan tekanan api tinggi/rendah masing-masing adalah 11,3/12,0 bar g (12,3/13,0 bar a). Pengaturan katup surplus adalah 11,0 bar g (12,0 bar a).

1. Berdasarkan kecepatan sekitar 25 m/s, pipa uap utama 100 mm akan dipilih.
2. Kvs dari katup kontrol surplus DN100 standar adalah 160 m³/jam
3. Menggunakan persamaan aliran massa berikut untuk uap jenuh tekanan hilir katup surplus (P2) dapat dihitung: Dalam contoh ini, pada api rendah, tekanan ketel diberikan sebagai 12 bar g (13 bar a). Dapat dihitung dari Persamaan 3.21.2 bahwa tekanan setelah katup surplus terbuka penuh adalah 11,89 bar g (12,89 bar a). Konsekuensinya, penurunan tekanan kecil (0,11 bar) dan tidak akan signifikan dalam operasi normal. Namun, jika tekanan turun menjadi 11,0 bar g, katup surplus akan mulai menutup untuk mempertahankan tekanan hulu. Band proporsional pada kontroler harus diatur sesempit mungkin tanpa membuat katup ‘berburu’ di sekitar titik setel. Kedua metode penerapan katup pemelihara tekanan dapat memberikan perlindungan pada pabrik ketel, tetapi tidak akan mengatasi kebutuhan dasar akan lebih banyak uap untuk proses.

Metode manajemen

Ini termasuk, misalnya, awal yang bertahap pada proses untuk menjaga beban puncak serendah mungkin. Metode penghalusan puncak ini dapat bermanfaat bagi pabrik ketel tetapi mungkin merugikan dan membatasi produksi, memiliki efek yang sama dengan katup pemelihara tekanan. Namun, tidak mungkin menghaluskan puncak jangka pendek hanya menggunakan metode manajemen. Di pabrik di mana ada banyak proses individual yang memberlakukan puncak seperti itu, dimungkinkan untuk memiliki efek pemerataan pada beban, tetapi sama demikian, juga dimungkinkan untuk banyak proses individual mencapai puncak secara bersamaan, dengan efek yang menghancurkan. Jika metode di atas tidak memberikan stabilitas permintaan yang diperlukan, mungkin sudah waktunya untuk mempertimbangkan sarana penyimpanan uap.

Akumulator uap

Sarana yang paling tepat untuk menyediakan uap kering bersih secara instan, untuk memenuhi permintaan puncak adalah menggunakan metode penyimpanan uap sehingga dapat ‘dilepaskan’ saat diperlukan. Menyimpan uap sebagai gas di bawah tekanan tidak praktis karena volume penyimpanan yang sangat besar diperlukan pada tekanan ketel normal. Ini paling baik dijelaskan dalam contoh: Dalam contoh yang digunakan kemudian dalam Modul ini, bejana dengan volume 52,4 m³ digunakan.

• Tekanan pengisian adalah 10 bar g (volume spesifik = 0,177 m³/kg).
• Tekanan debit adalah 5 bar g (volume spesifik = 0,315 m³/kg). Berdasarkan parameter ini, energi yang dihasilkan tersimpan dan siap untuk pelepasan instan ke pabrik terkandung dalam 130 kg uap. Ini hanya berjumlah 5,2% dari energi yang tersimpan dan siap digunakan, dibandingkan dengan akumulator yang diisi air. Dalam praktiknya ada dua cara menghasilkan uap:
• Dengan menambahkan panas ke air mendidih, secara tidak langsung melalui tabung pembakaran dan burner, seperti dalam ketel konvensional.
• Dengan mengurangi tekanan pada air yang disimpan pada suhu jenuhnya. Ini menghasilkan kelebihan energi dalam air, yang menyebabkan sebagian air berubah menjadi uap. Fenomena ini dikenal sebagai ‘flashing’, dan peralatan yang digunakan untuk menyimpan air bertekanan disebut akumulator uap. Pada prinsipnya, ada dua jenis sistem yang tersedia untuk penyimpanan uap; akumulator penurunan tekanan dan akumulator tekanan konstan. Modul ini hanya mempertimbangkan jenis pertama. Akumulator uap pada dasarnya merupakan perluasan dari kapasitas penyimpanan energi dari ketel. Ketika permintaan uap dari pabrik rendah, dan ketel mampu menghasilkan lebih banyak uap dari yang diperlukan, uap surplus disuntikkan ke dalam massa air yang disimpan di bawah tekanan. Selama periode waktu tertentu, kandungan air yang tersimpan akan meningkat suhu dan tekanannya hingga akhirnya mencapai suhu jenuh untuk tekanan di mana ketel beroperasi. Permintaan akan melebihi kemampuan ketel ketika:
• Beban diterapkan lebih cepat dari kemampuan respons ketel - misalnya, burner mungkin padam dan siklus pembilasan harus diselesaikan sebelum burner dapat dinyalakan dengan aman. Ini mungkin memakan waktu hingga 5 menit, dan bukannya menambahkan panas ke ketel, siklus pembilasan sebenarnya akan memiliki efek pendinginan ringan pada air dalam ketel. Ditambah fakta bahwa flashing air ketel akan menyebabkan penurunan level air, dan sistem kontrol level ketel akan secara otomatis mengkompensasi ini dengan membawa air umpan masuk pada, misalnya, 90°C. Ini akan memiliki efek pendinginan pada air yang sudah pada suhu jenuh, dan akan memperburuk situasi.
• Permintaan berat terjadi selama periode yang lebih lama dari normal. Dalam kedua kasus, hasilnya adalah penurunan tekanan di dalam akumulator uap, dan sebagai hasilnya sebagian air panas akan berubah menjadi uap flash. Laju di mana air berubah menjadi uap flash adalah fungsi dari tekanan penyimpanan, dan laju di mana uap diperlukan oleh sistem yang dipasok. Pengisian Akumulator uap penurunan tekanan terdiri dari bejana tekanan silindris yang sebagian diisi dengan air, pada titik antara 50% dan 90% penuh tergantung pada aplikasinya. Uap diisi di bawah permukaan air oleh manifold distribusi, yang dilengkapi dengan serangkaian injektor uap, hingga seluruh kandungan air berada pada tekanan dan suhu yang diperlukan. Wajar jika level air akan naik dan turun selama pengisian dan pengosongan. Jika akumulator uap diisi menggunakan uap jenuh (atau basah), mungkin ada sedikit kenaikan air karena kerugian radiasi dari bejana. Biasanya, massa uap yang sedikit lebih besar dikeluarkan daripada yang dimasukkan. Steam trap (tipe bola apung) dipasang pada level kerja dan bertindak sebagai pembatas level, mengeluarkan sejumlah kecil air surplus ke sistem pengembalian kondensat. Namun, jika akumulator uap diisi menggunakan uap panas berlebih, atau jika kerugian radiasi sangat kecil, akan ada kehilangan air secara bertahap akibat penguapan, dan katup umpan atau pompa, di bawah kontrol probe level, akan diperlukan untuk menutupi kekurangan. Pengosongan Ketika penurunan tekanan terjadi pada akumulator uap dengan air tersimpan pada suhu jenuh, uap flash akan dihasilkan pada laju yang diminta oleh beban apa pun di atas kapasitas ketel; akibatnya kondisi kelebihan beban akan terpenuhi. Ketika kelebihan beban diikuti oleh permintaan di bawah kapasitas ketel, akumulator uap diisi menggunakan uap surplus dari ketel. Siklus muat dan muat ulang ini menjelaskan nama ‘akumulator uap’ dan terus-menerus memungkinkan ketel menyala hingga peringkat kontinu maksimumnya. Siklus pengisian/pengosongan Akumulator perlu terisi penuh pada awal periode pengosongannya, agar beroperasi dengan benar. Untuk memungkinkan ini, dua peristiwa utama harus terpenuhi:

1. Cukup waktu harus tersedia dari akhir satu periode kelebihan beban ke awal berikutnya, untuk mengisi ulang air yang tersimpan dalam akumulator.
2. Permintaan uap rata-rata beban kosong harus lebih rendah dari kapasitas ketel (peringkat kontinu maksimum atau MCR), sehingga kapasitas surplus ketel yang cukup tersedia untuk mengisi ulang air yang tersimpan dalam akumulator selama waktu di luar puncak. Kriteria lain juga penting untuk memastikan akumulator memiliki kapasitas yang cukup, dan ini harus dipenuhi oleh desain:
3. Cukup air harus disimpan untuk menyediakan jumlah uap flash yang diperlukan selama periode pengosongan. Ini dapat dipenuhi dengan memastikan volume akumulator cukup besar.
4. Laju pelepasan uap yang lebih tinggi akan menghasilkan uap basah. Kecepatan dan laju aliran di mana uap flash dilepaskan dari permukaan air harus di bawah nilai yang telah ditentukan. Ini dapat dipenuhi dengan memastikan area permukaan air cukup besar yang, pada gilirannya, tergantung pada ukuran akumulator.
5. Kapasitas penguapan harus mencukupi. Ini tergantung pada tekanan di mana air disimpan ketika terisi penuh (tekanan ketel) dan tekanan minimum di mana akumulator akan beroperasi pada akhir periode pengosongan (tekanan desain akumulator). Semakin besar diferensial antara kedua tekanan ini, semakin banyak uap flash yang akan diproduksi.
6. Tekanan desain akumulator harus lebih tinggi dari tekanan distribusi hilir. Ini diperlukan untuk menciptakan diferensial tekanan di seluruh katup penurun tekanan (PRV) hilir, untuk memungkinkan aliran yang diperlukan dari akumulator ke pabrik. Semakin dekat tekanan akumulator ke tekanan distribusi, semakin kecil akumulator tetapi ini juga memberikan diferensial tekanan yang lebih kecil di seluruh PRV. Ini membutuhkan PRV yang lebih besar; cukup besar untuk melewatkan permintaan kelebihan beban tertinggi ketika akumulator berada pada tekanan desainnya (tekanan minimum dalam akumulator pada akhir periode pengosongan).

Mengukur akumulator uap

Akumulator uap dalam sistem uap memberikan peningkatan kapasitas penyimpanan. Desain yang tepat dari akumulator uap memastikan bahwa laju aliran apa pun dapat diakomodasi. Tidak ada batasan teoritis untuk ukuran akumulator uap, tetapi tentu saja pertimbangan praktis akan memberlakukan pembatasan. Dalam praktiknya volume akumulator uap didasarkan pada penyimpanan yang diperlukan untuk memenuhi permintaan puncak, dengan penurunan tekanan yang diizinkan, sambil tetap memasok uap kering bersih pada kecepatan pelepasan uap yang sesuai dari permukaan air. Contoh 3.22.2 di bawah, digunakan untuk menghitung potensi kapasitas uap dalam akumulator uap horizontal. Contoh 3.22.2 Ketel: Peringkat kontinu maksimum = 5 000 kg/jam Tekanan kerja normal = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, dari tabel uap) Diferensial switching burner = 1 bar (0,5 bar di kedua sisi 10 bar g) Persyaratan pabrik: Kelebihan beban instan maksimum = 12 000 kg/jam Tekanan distribusi = 5 bar g Meskipun kelebihan beban instan maksimum adalah 12 000 kg/jam, nilai rata-rata dari kelebihan beban harus digunakan untuk mengukur akumulator. Ini mencegah ukuran berlebihan yang tidak perlu dari akumulator. Sama demikian, perlu untuk menentukan dan menggunakan beban rata-rata ‘di luar puncak’ dalam perhitungan pengukuran. Beban di luar puncak adalah beban apa pun di bawah MCR ketel. Menemukan nilai rata-rata dari kelebihan beban dan beban di luar puncak Ada tiga metode yang mungkin untuk menetapkan beban rata-rata untuk pabrik ketel yang ada:

1. Untuk memperkirakan, berdasarkan pengalaman.
2. Untuk menganalisis grafik output uap ketel yang ada untuk menetapkan beban rata-rata dan periode waktu di mana mereka terjadi.
3. Untuk memprogram komputer meter uap untuk mengintegrasikan beban uap selama periode kelebihan beban dan beban di luar puncak. Metode 1 bisa terbukti cukup sembrono, jika akumulator yang mahal berakhir terlalu kecil.

Namun, jika pabrik ketel masih dalam tahap desain, tebakan berdasarkan pengetahuan akan menjadi satu-satunya pilihan. Dari pengetahuan desainer tentang instalasi, seharusnya mungkin untuk memberikan perkiraan yang wajar tentang beban pabrik maksimum, keragaman beban, dan waktu di mana mereka terjadi.

Metode 2 cukup mudah dilakukan, dan seharusnya memberikan hasil yang cukup akurat.

Metode 3 akan memberikan hasil yang paling akurat, dan biaya meter uap kecil relatif terhadap biaya keseluruhan proyek akumulator.

Prosedur berikut menunjukkan cara menentukan beban uap rata-rata dari rekaman grafik yang ada yang memuat pola beban. Prosedur ini dibangun dari Gambar 3.22.4, yang menunjukkan pola aliran untuk Contoh 3.22.2.

Kontrol dan perlengkapan akumulator uap

Berikut adalah tinjauan peralatan yang diperlukan untuk instalasi akumulator uap, bersama dengan beberapa panduan tentang pengukuran dan pemilihan peralatan yang sesuai. Menggunakan angka dari Contoh 3.22.2: Ketel: Peringkat kontinu maksimum = 5 000 kg/jam Tekanan kerja normal = 10 bar g Akumulator: Massa air yang diperlukan untuk penyimpanan uap = 65 920 kg (terisi penuh dan 90% volume bejana) P1 (tekanan ketel) = 10 bar g (terisi penuh) P2 (tekanan debit) = 6 bar g (terisi penuh) Persyaratan pabrik: Tekanan = 5 bar g Kelebihan beban rata-rata terbesar = 10 300 kg/jam selama 30 menit setiap 95 menit, di mana 5 000 kg/jam disuplai oleh ketel. Dari angka-angka ini dapat disimpulkan bahwa 65 920 kg air harus dipanaskan dari suhu jenuh pada 6 bar g ke suhu jenuh pada 10 bar g dalam 95 menit. Pipa Pipa antara ketel dan akumulator uap harus diukur, sesuai praktik normal, pada kecepatan uap 25 hingga 30 m/s dan keluaran maksimum ketel. Dalam kasus Contoh 3.22.2, ini akan memerlukan pipa DN100 dari ketel ke akumulator, untuk membawa Peringkat Kontinu Maksimum (MCR) ketel sebesar 5 000 kg/jam @ 10 bar g. Pipa dari akumulator ke PRV hilir harus diukur berdasarkan kelebihan beban instan maksimum dan kecepatan tidak lebih dari 20 m/s. Ini akan memerlukan pipa lubang nominal DN250 untuk contoh ini, dengan tekanan desain akumulator 6 bar g. Katup stop Katup stop ukuran pipa diperlukan sebagai tambahan katup mahkota ketel. Katup stop dengan peringkat yang sesuai, sebaiknya dari baja cor, akan sesuai. Katup periksa atau katup non-return Katup periksa ukuran ualiran diperlukan untuk mencegah aliran balik uap kembali ke ketel jika ketel dimatikan secara sengaja, atau mungkin, ketel mengalami lockout. Katup periksa disc akan menjadi pilihan yang sesuai. Katup surplus Katup surplus sangat penting untuk memastikan bahwa laju uap mengalir dari ketel ke akumulator berada dalam kemampuan ketel. Contoh 3.22.1, menunjukkan bagaimana katup akan diukur. Katup surplus swa-aksi pilot dapat digunakan pada instalasi yang lebih kecil, selama band proporsional yang sempit (dan tidak dapat disesuaikan) dapat diterima. Kontroler pneumatik dan katup kontrol lebih sesuai untuk instalasi yang lebih besar, dan menawarkan keuntungan band proporsional yang dapat disesuaikan. Untuk aplikasi ini, katup kontrol pneumatik DN100 dengan kemampuan operasi dan shut-off yang sesuai akan dipilih.

Peralatan injeksi uap

Pipa masuk uap yang diukur dengan benar harus masuk jauh di bawah level permukaan air dan ke dalam sistem header/manifold distribusi uap seperti ditunjukkan pada Gambar 3.22.6. Uap disuntikkan ke dalam air. Penting untuk diingat bahwa kapasitas injektor akan berkurang seiring dengan peningkatan tekanan dalam bejana, karena diferensial tekanan antara uap yang disuntikkan dan tekanan bejana berkurang. Pada laju aliran sangat rendah, uap akan cenderung keluar dari injektor terdekat dengan pipa masuk uap. Desain pipa masuk dan sistem manifold, bersama dengan penempatan injektor, harus menyediakan injeksi uap yang merata di sepanjang panjang akumulator terlepas dari laju aliran uap aktual. Debit dari injektor akan berupa air sangat panas dan uap, mungkin dengan beberapa gelembung uap yang mengembun, pada kecepatan sangat tinggi, mendorong turbulensi dan pencampuran dalam massa air. Injektor tidak boleh mengalir langsung ke dinding bejana, atau dekat dinding. Instalasi miring mungkin dianjurkan. Idealnya, injektor juga harus dimiringkan ke arah yang berbeda untuk membantu distribusi yang lebih merata. Pengaturan nominal ditunjukkan pada Gambar 3.22.6. Pada bejana yang sangat panjang, distribusi yang lebih teratur dapat dicapai jika dua atau lebih pipa masuk digunakan. Dalam kasus seperti ini, sangat penting bahwa pipa masuk dengan hati-hati di-manifold bersama dari pipa suplai utama. Semua injektor harus dipasang serendah mungkin dalam akumulator untuk memastikan kepala cairan maksimum yang mungkin di atasnya. Mungkin juga sesuai untuk memasang injektor pada sudut sedikit untuk menghindari erosi bejana. Tabel pengukuran pabrik akan memberikan nilai Kvs dari injektor uap (lihat Tabel 3.22.2) Menggunakan data dari Tabel 3.22.2 dan mengacu pada Gambar 3.22.8, cuplikan dari grafik pengukuran uap jenuh Gambar 3.22.9:

1. Gambar garis horizontal ke kanan dari sumbu ‘x’ pada 11 bar a (10 bar g) hingga berpotongan dengan garis penurunan tekanan kritis, titik (A).
2. Gambar garis vertikal ke bawah dari titik (A) hingga berpotongan dengan nilai Kvs injektor, titik (B), (Misalnya Kvs 5,8 untuk injektor IM25M).
3. Gambar garis horizontal ke kiri, hingga berpotongan dengan sumbu ‘y’, titik (C). Nilai yang ditunjukkan akan menjadi kapasitas injektor. (Sekitar 760 kg/jam untuk contoh ini).

Mengukur dan mengkuantifikasi injektor

Latihan di atas memberikan kapasitas 760 kg/jam untuk satu injektor; tetapi ini hanya berhubungan dengan awal periode pengisian, ketika tekanan bejana berada pada titik terendah, dan kapasitas injektor berada pada titik tertinggi. Harus diingat bahwa, seiring dengan lebih banyak uap yang disuntikkan ke dalam bejana, tekanan bejana akan naik, secara efektif mengurangi kapasitas injektor, hingga tekanan bejana akhirnya mungkin menyamakan dengan tekanan ketel, dan tidak ada aliran yang dapat terjadi. Karena ini, tidak praktis untuk menggunakan satu (tertinggi) laju aliran, 760 kg/jam dalam contoh ini. Sebaliknya, perlu untuk menemukan laju injeksi rata-rata selama periode pengisian. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan Persamaan 3.21.2 untuk menghitung aliran pada tekanan bejana yang berbeda. Dalam contoh ini, tekanan bejana akan bervariasi antara 6 bar g dan 10 bar g. Semakin besar jumlah tekanan yang diambil, semakin besar akurasi tetapi, secara umum, mengambil kenaikan pada 10% dari selisih antara tekanan ketel dan akumulasi akan memberikan nilai rata-rata yang dapat diandalkan. Tabel 3.22.3 menunjukkan perhitungan untuk injektor IN25 (1”) dengan Kv 5,8. Total aliran 6 076 kg/jam dibagi dengan jumlah entri. harus diingat untuk memasukkan entri nol juga; sehingga ada sebelas entri untuk dipertimbangkan. Dapat dilihat bahwa laju aliran rata-rata 553 kg/jam agak kurang dari kapasitas maksimum 759 kg/jam. Jika kapasitas maksimum digunakan untuk mengkuantifikasi jumlah injektor, maka tidak cukup injektor yang akan dipilih. Jumlah injektor yang diperlukan dapat ditentukan dengan membagi aliran uap dengan jumlah yang dapat disuplai oleh satu injektor. Catatan: Sejumlah injektor yang lebih kecil lebih disukai daripada satu injektor besar untuk memastikan pencampuran yang tepat dalam akumulator uap. Grafik pengukuran ini bersifat empiris dan tidak boleh digunakan untuk aplikasi kritis

Menghitung waktu yang diperlukan untuk mengisi ulang bejana

Dari pola beban yang ditunjukkan pada Gambar 3.22.4, telah ditunjukkan bahwa waktu minimum antara siklus pengisian adalah 95 menit. Sekarang perlu untuk memeriksa apakah bejana dapat diisi ulang dalam waktu kurang dari ini. Telah ditunjukkan bahwa jumlah uap yang digunakan selama periode pengosongan adalah 2 650 kg. Aliran surplus rata-rata uap yang tersedia selama periode pengisian ulang telah dihitung dari Gambar 3.22.4 sebagai 2 916 kg/jam. Waktu yang diperlukan untuk pengisian ulang sebanding dengan rasio massa uap yang digunakan selama pengosongan terhadap laju uap surplus yang mengalir selama periode di luar puncak: Karena waktu pengisian ulang yang diperlukan kurang dari waktu antara siklus kelebihan beban terpendek yaitu 95 menit, keseimbangan antara waktu kelebihan beban dan waktu pengisian ulang dapat dipenuhi oleh akumulator.

Oleh karena itu, ukuran akumulator 7 meter panjang dengan diameter 4 meter menyediakan kapasitas yang cukup untuk contoh khusus ini.

Pengukur tekanan

Pengukur tekanan dengan rentang yang sesuai diperlukan untuk menunjukkan tekanan di dalam akumulator uap. Idealnya harus ditandai untuk menunjukkan:

• Tekanan minimum (tekanan uap pabrik).
• Tekanan maksimum (tekanan uap ketel).
• Tekanan kerja maksimum bejana.

Katup pengaman

Jika tekanan kerja maksimum akumulator sama dengan, atau lebih besar dari ketel, maka katup pengaman mungkin tidak diperlukan. Namun, pengguna mungkin khawatir tentang skenario lain yang kurang jelas. Misalnya, dalam kejadian kebakaran pabrik, jika akumulator terisi penuh dan semua saluran masuk dan keluar ditutup, tekanan dalam akumulator bisa naik. Diskusi dengan inspektur asuransi sangat penting sebelum keputusan dibuat. Seperti halnya semua instalasi katup pengaman, debit harus ke area aman melalui pipa ventilasi yang diukur dengan benar, yang dikeringkan dengan benar.

Ventilasi udara dan pemutus vakum

Ketika akumulator uap mulai dari dingin, ruang uap penuh dengan udara. Udara ini tidak memiliki nilai panas, sebenarnya akan berdampak negatif pada kinerja pabrik uap (seperti ditunjukkan dalam Hukum Dalton) dan juga memiliki efek selimut pada permukaan pertukaran panas. Udara juga akan menimbulkan korosi dalam sistem kondensat. Udara dapat dibersihkan menggunakan keran sederhana, biasanya dibiarkan terbuka hingga akumulator uap ditekan hingga sekitar 0,5 bar. Alternatif untuk keran adalah ventilasi udara tekanan seimbang, yang tidak hanya membebaskan operator pabrik ketel dari tugas membuang udara secara manual (dan dengan demikian memastikan bahwa itu benar-benar dilakukan), tetapi juga lebih dapat diandalkan dalam membuang gas lain yang terakumulasi dalam bejana selama penggunaan. Sebaliknya, ketika akumulator uap diambil dari jalur, uap di ruang uap mengembun dan meninggalkan vakum. Vakum ini menyebabkan tekanan diberikan pada bejana dari luar, dan dapat menyebabkan udara bocor masuk melalui pintu inspeksi. Pemutus vakum akan menghindari situasi ini.

Keran pembuangan

Katup ini akan digunakan untuk menguras bejana untuk pekerjaan pemeliharaan dan inspeksi. Katup DN40 akan sesuai untuk ukuran akumulator dalam Contoh 3.22.2.

Meluap

Steam trap bola apung dengan ventilasi udara termostatik terintegrasi harus dipasang seperti pada Gambar 3.22.10. Ketika dipasang seperti ditunjukkan, level air di dalam akumulator tidak akan naik di atas titik ini karena trap akan beroperasi sebagai katup meluap otomatis. Ketika level air turun, yaitu, ketika uap ditarik pada laju lebih cepat daripada penggantiannya, trap akan secara otomatis menutup untuk mencegah keluarnya uap. Penggunaan trap bola apung dengan kapsul termostatik terintegrasi sebagai perangkat pembatas level, menawarkan keuntungan tambahan ventilasi udara. Trap harus dipasang dekat gelas ukur. Debit dari trap harus diarahkan kembali ke tangki umpan ketel, dengan hati-hati menghindari tekanan balik berlebihan atau angkat. Ukuran trap bola apung/termostatik akan bervariasi sesuai dengan ukuran akumulator, dan biasanya berukuran DN32 atau DN40 untuk Contoh 3.22.2.

Gelas ukur air

Variasi level di dalam akumulator uap tidak akan besar karena hanya 5% (kira-kira) dari massa air yang akan berubah menjadi uap flash, namun, beberapa sarana untuk melihat level air sangat penting. Jelas gelas ukur harus dinilai untuk beroperasi pada tekanan kerja maksimum akumulator uap. Namun, dari sudut pandang penyimpanan stok dan standardisasi pabrik, ada beberapa manfaat menggunakan gelas ukur yang sama dengan ketel. Hanya satu gelas ukur yang diperlukan.

Stasiun penurun tekanan

Stasiun penurun tekanan dipasang pada debit. Saat katup penurun tekanan membuka untuk mempertahankan tekanan hilir, terjadi penurunan tekanan dalam akumulator uap yang menyebabkan sebagian air berubah menjadi uap flash. Katup penurun tekanan harus diukur berdasarkan data berikut: P1 = Tekanan akumulator (6 bar g pada contoh) P2 = Tekanan pabrik (5 bar g pada contoh) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Laju aliran = Laju aliran kelebihan beban maksimum (12 000 kg/jam pada contoh) Katup yang sesuai sekarang dapat dipilih baik dari grafik pengukuran pabrik atau menggunakan grafik pengukuran uap jenuh yang ditunjukkan pada Gambar 3.22.9. Untuk ukuran hingga DN80, katup swa-aksi pilot akan sesuai, sementara katup kontrol pneumatik sesuai untuk ukuran yang lebih besar.

Pipa

Tepat pada titik ini untuk memeriksa bahwa pipa antara stasiun penurun tekanan akumulator uap dan pabrik diukur dengan memadai. Pipa ini harus diukur sesuai praktik normal pada kecepatan uap 25 hingga 30 m/s, tetapi menggunakan laju aliran puncak dari akumulator uap pada tekanan pabrik, dalam hal ini 5 bar g.

Pengaturan tipikal akumulator uap:

Gambar 3.22.11 menunjukkan semua uap yang dihasilkan oleh pabrik ketel melewati akumulator uap. Ini adalah pengaturan yang lebih modern yang umumnya disukai. Pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 3.22.12 lebih umum digunakan di masa lalu dan masih berguna ketika akumulator uap harus ditempatkan beberapa jarak dari pipa uap utama. Namun, katup periksa harus diperiksa secara teratur, karena kombinasi katup ‘macet’ dan ‘bocor’ dapat menyebabkan uap diisi ke akumulator uap di atas permukaan uap, yang tidak membawa manfaat apa pun. Gambar 3.22.13 menunjukkan pengaturan di mana uap pada tekanan ketel diperlukan serta uap pada tekanan lebih rendah. Beberapa aplikasi proses tidak dapat mentolerir uap bertekanan rendah, dan uap pada tekanan ketel mungkin diperlukan setiap saat (biasanya untuk proses pengeringan). Jika beban puncak disebabkan oleh pengguna tekanan tinggi, katup pemelihara tekanan pada Gambar 3.22.13 akan mendeteksi penurunan tekanan, dan memodulasi ke arah dudukannya, sehingga menyimpan uap bertekanan tinggi untuk pengguna tekanan tinggi, dengan demikian membiarkan akumulator uap memasok permintaan bertekanan rendah selama periode ini. Dengan cara ini sistem memasok beban berfluktuasi bertekanan rendah melalui akumulator uap dan laju aliran maksimum yang mungkin untuk beban bertekanan tinggi dipastikan oleh tindakan katup pemelihara tekanan. Pada Gambar 3.22.14, ketel menghasilkan uap pada tekanan desain normalnya, misalnya 10 bar, dan uap melewati beban variabel yang memerlukan tidak lebih dari, misalnya 5 bar. Katup penurun tekanan A mengurangi tekanan antara header ketel dan pipa distribusi utama di pabrik, merespons tekanan yang dirasakan di jalur 5 bar. Jika permintaan uap melebihi kapasitas pasokan ini dari ketel, dan tekanan di pipa utama bertekanan rendah turun di bawah, misalnya 4,8 bar, katup B akan mulai membuka dan melengkapi pasokan. Ini menarik uap dari akumulator uap, dan selama periode berkelanjutan tekanan akumulator uap akan turun. Katup B merespons tekanan hilir di pipa distribusi utama, sehingga juga bertindak sebagai katup penurun tekanan. Kapasitasnya harus sesuai dengan laju debit yang diizinkan untuk akumulator uap, dan akan lebih kecil dari katup penurun tekanan A. Katup C adalah katup pemelihara tekanan, merespons tekanan ketel. Jika tekanan naik karena berkurangnya permintaan dari pabrik, katup pemelihara tekanan C terbuka. Uap kemudian dimasukkan ke akumulator uap yang diisi ulang menuju tekanan maksimumnya, sedikit di bawah tekanan ketel. Katup penurun tekanan B akan tertutup pada saat ini karena pabrik menerima cukup uap melalui katup penurun tekanan A (yang sebagian tertutup).

Pertimbangan praktis untuk akumulator uap

Bypass Di pabrik mana pun, manajer teknik harus berusaha untuk menyediakan setidaknya layanan minimum jika akumulator uap dan peralatan terkaitnya memerlukan pemeliharaan atau rusak. Ini akan termasuk penyediaan isolasi yang memadai dan aman dari akumulator dengan katup, dan mungkin beberapa sarana untuk melindungi ketel dari kelebihan beban jika perubahan besar dalam permintaan tidak dapat dihindari. Solusi yang paling jelas di sini adalah katup pemelihara tekanan cadangan.

Kesimpulan

Akumulator uap bukanlah peninggalan kuno dari masa lalu. Memang, jauh dari itu. Akumulator uap telah dipasang di seluruh industri modern termasuk bioteknologi, sterilisasi rumah sakit dan industri, rig pengujian produk, percetakan dan manufaktur makanan, serta industri yang lebih tradisional seperti pabrik bir dan rumah pewarnaan. Ketel modern menjadi lebih kecil dan ada juga peningkatan penggunaan ketel tabung air kecil, ketel koil, dan ketel cincin, semuanya efisien, tetapi mengurangi kapasitas termal sistem, dan membuatnya rentan terhadap masalah beban puncak. Ada banyak aplikasi lebih lanjut untuk akumulator uap. Untuk puncak jangka panjang yang pada akhirnya harus ditangani oleh pabrik ketel, akumulator uap dapat digunakan untuk menyimpan, misalnya, 5 menit dari laju aliran puncak, memberikan waktu bagi pabrik ketel untuk mencapai output yang sesuai dengan aman. Akumulator uap juga dapat digunakan dengan ketel elektroda atau pemanas rendam sehingga uap dapat dihasilkan di luar puncak, disimpan, dan digunakan selama waktu puncak. Kemungkinannya tidak terbatas. Sebagai kesimpulan, akumulator uap adalah alat yang efisien, karena mungkin menyediakan cara yang paling hemat biaya untuk memasok uap ke proses batch. Pengakuan Spirax Sarco mengakui bantuan dan informasi yang diberikan oleh: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG