BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Teori Dasar

Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi

modern. Tanpa steam, maka industri makanan kita, tekstil, bahan kimia, bahan

kedokteran,daya, pemanasan dan transportasi tidak akan ada atau muncul seperti

sekarang ini. steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang

terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat

dihasilkan secara efisien dan ekonomis, sampai ke titik penggunaan. Steam yang

bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan transportasi dan penyediaan

energi. untuk beberapa alasan, steam digunakan untuk membawa energi panas.

Penggunaanya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi

daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan ruangan.

Alasan dari penggunaan Steam adalah :

• Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik

penggunaan

• Steam mudah dikendalikan

• Energinya mudah ditransfer ke proses

• Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan

• Steam bersifat fleksibel

Universitas Sumatera Utara

Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa

molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang

membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan,

sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi

lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan

cairan jadi meningkat.

Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal

bahwa steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan

yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi

terisih dengan molekul steam yang kurang padat.

Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari

yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah

mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas.

Jika tekanannya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan

kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh.

Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama,

akan tetapi energi panas per satuan massanya lebih besar pada steam. Pada

tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 1000C.

Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih

banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu,

kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan energi air dan suhu jenuh.

Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh

(Gambar 2.1).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 kurva steam jenuh

Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada

kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas

kurva jenuh dikenal dengan superheated steam / steam lewat jenuh :

• Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh

• Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub-jenuh

Jika steam dapat mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama dengan

yang dihasilkannya, penambahan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju

produksinya. Jika steam yang sama tertahan tidak meninggalkan boiler, dan

jumlah panas yang masuk dijaga tetap, energi yang mengalir ke boiler lebih besar

dari energi yang mengalir keluar. Energi berlebih ini akan menaikan tekanan,

yang pada gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu

steam jenuh berhubungan dengan tekanannya.

Universitas Sumatera Utara

2.2 Kualitas Steam

Steam harus tersedia pada titik penggunaan :

• Dalam jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang

memadai tersedia untuk perpindahan panas

• Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhin kinerja

• Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat

perpindahan panas

• Bersih, karena kerak ( misal korosi atau endapan karbonat ) atau kotoran

dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa orifice kecil dari

Steam Traps dan Valve

• Kering, dengan adanya tetesan air dalam steam akan menurunkan entalpi

penguapan aktual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada

dinding pipa dan permukaan perpindahan panas.

2.3 Sistem Distribusi Steam

Sistem distribusi steam merupakan hubungan penting antara pembangkit

steam dan pengguna steam. Terdapat berbagai macam metoda untuk membawa

steam dari pusat sumber ke titik penggunaan. Pusat sumber mungkin berupa ruang

boiler atau pengeluaran. Boiler dapat menggunakan bahan bakar primer karosene

( minyak tanah ). Sistem distribusi steam yang efisien adalah penting untuk

pemasokan steam dengan kualitas dan tekanan yang benar ke peralatan yang

Universitas Sumatera Utara

menggunakan steam. Pemasangan dan perawatan sistem steam merupakan hal

penting dan harus dipertimbangkan mulai tahap perancangan.

Ketika steam mengembun didalam proses, kondensat dialirankan kembali

kedalam pipa suplai air boiler. Kondensat memiliki volume yang sangat kecil

dibandingkan dengan steam, dan hal ini menyebabkan penurunan tekanan, yang

membuat steam mengalir melalui pipa – pipa. Steam yang dihasilkan pada boiler

harus dibawa melalui pipa kerja ke titik dimana energi panasnya diperlukan.

Pada awalnya hanya terdapat satu atau lebih pipa utama, atau ‘Saluran

Pipa Steam’, yang membawa steam dari boiler kearah plant yang menggunakan

steam. Pipa – pipa cabang yang kecil membawa steam ke masing – masing

peralatan. Pipa kerja pada mulanya lebih dingin dari pada steam, sesampai panas

dipindahkan dari steam ke pipa. Udara disekitar pipa –pipa juga sebelumnya lebih

dingin dari steam, kemudian pipa kerja akan mulai memindahkan panas steam ke

udara.

Steam yang berkontak dengan pipa yang lebih dingin akan mulai

mengembun dengan segera. Pada saat start-up, laju kondensasi akan berada pada

nilai maksimumnya, hal ini merupakan waktu dimana terjadi perbedaan suhu yang

maksimum antara steam dan pipa kerja. Laju kondensasi ini biasanya disebut

‘Beban Permulaan’.

Begitu pipa kerja telah dihangatkan, perbedaan suhu antara steam dan pipa

kerja menjadi minimal, namun kondensasi akan terjadi karena pipa kerja masih

terus memindahkan panas ke udara sekitar. Laju kondensasi ini disebut ‘Beban

Berjalan’. Hasil dari kondensasi ( Kondensat / Embun ) jatuh ke bagian bawah

Universitas Sumatera Utara

pipa dan dibawa oleh aliran steam yang dibantu oleh gaya gravitasi, karena sudut

kemiringan pada saluran pipa steam dibuat turun pada arah aliran steam.

Kondensat kemudian harus dikeluarkan dari berbagai titik strategis pada saluran

pipa steam.

Ketika valve pada pipa steam yang melayani bagian plant yang

menggunakan steam dibuka, steam mengalir dari sistem distribusi masuk ke plant

dan terjadi lagi kontak dengan permukaan yang lebih dingin. Steam kemudian

memindahkan energinya dan menghangatkan peralatan dan produk ( Beban

Permulaan ), dan bila telah mencapai suhunya, pemindahan panas berlanjut ke

proses ( Beban Berjalan ).

Sekarang terdapat pasokan steam yang sinambung dari boiler untuk

mencukupi beban terhubung dan untuk menjaga pasokan ini, harus dihasilkan

steam yang lebih banyak lagi. Untuk memenuhi kebutuhan ini, dibutuhkan air

yang lebih banyak untuk dipasok ke boiler sebagai air make up yang sebelumnya

sudah diuapkan menjadi steam. Kondensat yang terbentuk dalam pipa distribusi

steam dan dalam peralatan proses dapat dipakai sebagai pasokan sebagai air

umpan panas boiler.

Distribusi tekanan steam dipengaruhi oleh sejumlah faktor, dan dibatasi

oleh:

• Tekanan kerja maksimum yang aman bagi boiler

• Tekanan minimum yang diperlukan pada plant

Universitas Sumatera Utara

Ketika steam melewati pipa distribusi, maka steam tidak dapat

menghindari kehilangan tekanannya karena :

• Tahanan gesekan / friksi didalam pipa.

• Kondensasi / pengembunan yang terjadi didalam pipa ketika panas

dipindahkan kelingkungan.

Komponen penting pada sistem distribusi akan dijelaskan pada bagian

berikut:

• Pipa – pipa

• Titik pengeluaran ( Drain )

• Jalur cabang

• Saringan / Strainers

• Saringan / Filters

• Pemisah / Separator

• Steam traps

• Ventilasi udara

Universitas Sumatera Utara

2.4 Pipa – pipa

2.4.1 Bahan pipa

Pipa sistem steam biasanya dibuat dari baja karbon. Bahan yang sama juga

dapat digunakan untuk jalur kondensat, walaupun pipa tembaga lebih disukai oleh

beberapa industri. Untuk saluran pipa steam lewat jenuh yang bersuhu tinggi,

ditambahkan bahan campuran seperti Chromium untuk memperbaiki kuat tarik

dan resistansi terhadap golakan pada suhu tinggi. Biasanya pipa dipasok dengan

panjang 6 meter.

2.5 Strainers

Dengan semakin meningkatnya persaingan pasar, penekanan lebih banyak

ditujukan pada pengurangan penghentian pabrik dan perawatan. Dalam sistem

steam dan kondensat, kerusakan pabrik seringkali diakibatkan oleh kotoran –

kotoran baik yang berupa padat,cair atau gas pada saluran pipa. Strainers adalah

peralatan yang menangkap padatan tersebut dalam cairan atau gas dan melindungi

peralatan dari pengaruh–pengaruh yang membahayakan, dengan begitu

mengurangi waktu penghentian dan perawatan. Strainer harus dipasang pada

bagian hulu pada setiap Steam traps, pungukur aliran dan valve kendali.

Strainer dapat dikelompokkan kedalam dua tipe utama menurut bentuk dan

susunan badannya : Yakni tipe-Y dan tipe keranjang/ basket. Contohnya dari tipe

strainers dan tipe keranjang dapat dilihat dalam Gambar 2.2 dan Gambar 2.3.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Strainer Jenis-y

Gambar 2.3 Strainer Jenis Keranjang/Basket

Untuk steam, strainer tipe-Y merupakan standar yang umum dan banyak

digunakan dimana-mana. Strainer tipe-Y pada steam horisontal atau jalur gas

yang dipasang secara horisontal. Cara ini mencegah air terkumpul dalam pocket,

membantu mencegah terbawanya tetesan air yang dapat menyebabkan erosi dan

mempengaruhi proses perpidahan panas. Bentuk pocket harus mengarah turun

secara tegak lurus.

Walau ada baiknya memasang strainer pada arah horisontal, tetapi hal ini

tidak selalu memungkinkan, dan strainer dapat dipasang pada saluran pipa vertikal

jika alirannya turun, dimana kotorannya akan secara alami menuju pocket.

Universitas Sumatera Utara

Pemasangannya tidak memungkinkan pada aliran yang naik, dimana strainer

harus dipasang dengan bukaan pocket menuju kebawah dan kotorannya turun

dalam pipa.

2.6 Filter

Filter digunakan untuk membuang partikel-partikel yang lebih kecil. Jika

strainer membuang seluruh partikel yang terlihat didalam steam, partikel yang

lebih kecil juga perlu dibuang sebagai contohnya adalah dalam beberapa

penggunaan berikut :

• Bila dilakukan injeksi steam langsung ke proses dimana kotoran dapat

menyebabkan pencemaran produk.

Contoh : Pada industri makanan, dan untuk sterilisasi peralatan proses

dalam industri obat-obatan.

• Dimana steam kotoran akan menyebabkan penolakan produk atau hasil

proses karena noda atau penumpukan partikel yang terlihat.

Contoh : Mesin sterilisasi dan mesin kertas / kardus.

• Dimana emisi partikel minimum diperlukan dari pelembab steam.

Contoh : Pelembab yang digunakan dalam lingkungan “bersih”.

• Untuk penurunan kandungan air steam, menjamin pasokan yang kering

dan jenuh.

Universitas Sumatera Utara

Filter yang digunakan dalam sistem steam biasanya terdiri dari elemen

filter dari baja tahan korosi. Prosesnya menghasilkan struktur berpori yang sangat

halus dalam baja tahan korosi, yang membuang berbagai partikel dari fluida yang

melewatinya. Sifat pori-pori dari elemen filter akan menciptakan penurunan

tekanan yang lebih besar yang melewati filter yang terdapat pada strainer dengan

ukuran sama. Filter mudah rusak apabila laju aliran yang berlebih dan melewati

batasan yang ditentukan oleh pihak pembuatnya.

Dengan memasang pengukur tekanan pada sisi filter sebelah manapun,

penurunan tekanan yang melintas filter dapat diukur, yang kemudian dapat

digunakan untuk mengidentifikasi saat filter memerlukan pembersihan. Sebagai

alternatif terhadap hal ini adalah dengan memasang saklar tekanan pada sisi aliran

bawah filter. Ketika tekanan aliran bawah berkurang dibawah tingkat yang sudah

diatur sedemikian rupa, cahaya tanda bahaya akan menyala didalam ruang kendali

yang memberi sinyal kepada operator yang kemudian dapat membersihkan filer.

2.7 Pemisah / Separator

Separator digunakan untuk menghilangkan tetesan air dari steam. Steam

basah mengandung sejumlah air, dan merupakan salah satu perhatian utama pada

berbagai sistem steam. Steam basah ini dapat menurunkan produktivitas pabrik

dan kualitas produk dan dapat menyebabkan kerusakan pada hampir semua pabrik

dan peralatan. Kandungan air dari steam yang dihasilkan oleh boiler akan terus

meningkat jika terjadi pemindahan. Kehilangan panas pada pipa distribusi akan

menyebabkan steam mengembun. Karena gaya gravitasi, molekul air yang

mengembun akan mengendap dibagian bawah pipa membentuk sebuah lapisan

Universitas Sumatera Utara

air. Steam yang mengalir diatas air ini dapat berubah menjadi gelombang. Ujung

gelombang tersebut akan pecah, melemparkan tetesan kondensat ke aliran steam.

Keberadaan air dalam steam dapat menyebabkan sejumlah masalah :

• Air merupakan penghalang yang sangat efektif terhadap perpindahan

panas, dan kehadirannya dapat menurunkan produktivitas pabrik dan

kualitas produk.

• Tetesan air yang berjalan pada kecepatan steam yang tinggi akan meng-

erosi ruang valve dan sambungan-sambungan, suatu kondisi yang dikenal

dengan wiredrawing. Tetesan air juga akan meningkatkan korosi.

• Pembentukan kerak yang meningkat pada pipa dan permukaan pemanasan

dari bahan pencemaran terbawa dalam tetesan air.

• Operasi yang tidak menentu dari valve pengendali dan pengukur aliran /

flor meter.

• Kegagalan valve dan pengukur aliran karena pemakaian yang cepat atau

hantaman air.

Walaupun terdapat berbagai desain separator, pada dasarnya digunakan

untuk menghilangkan kadar air dalam aliran steam. Contoh dari tipe Separator

Tipe Baffle terlihat pada gambar 2.4.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.4 Separator Tipe Baffle

2.8 Ventilasi udara

Jika udara tercampur dengan steam dan mengalir bersamaan, kantong

udara akan tetap tinggal pada permukaan penukaran panas dimana steam

terkondensasikan. Secara perlahan, sebuah lapisan tipis yang membentuk sebuah

selimut isolasi.

Bilamana udara ditambahkan ke steam, kandungan panas dari volume

campuran lebih rendah dari steam murni dengan volume yang sama, sehingga

suhu campuran rendah, keberadaan udara memiliki pengaruh ganda :

• Udara memberikan resistansi terhadap perpindahan panas melalui

pengaruh pelapisan

• Udara menurunkan suhu ruang steam

Universitas Sumatera Utara

Udara yang ada didalam pipa steam dan peralatan steam pada saat start-up.

Bahkan jika sistem diisi dengan steam murni ketika digunakan, steam yang

terkondensasikan akan menyebabkan keadaan vakum dan menarik udara ke pipa

pada saat operasi berhenti. Udara dapat juga masuk ke sistem tercampur dalam air

umpan. Pada suhu 800C, air dapat larut sekitar 0,6% volume,dari udara.

Tanda-tanda adanya udara adalah:

• Menurunnya hasil produksi secara berangsur-angsur pada berbagai

peralatan yang dipanaskan oleh steam

• Gelembung udara dalam kondensat

• korosi

Sebuah alat ventilasi udara yang dipasang pada suatu tangki ruang steam

atau pada ujung pipa saluran steam akan terbuka ketika ada udara (Gambar 2.5).

Untuk pembuangan udara yang maksimal, pembuangannya harus sebebas

mungkin.

Gambar 2.5 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama

Universitas Sumatera Utara

Jika jalur buangan kondensat dari sebuah trap meningkat ke tingkat yang

tertinggi, jalur yang banjir akan menggangu tekanan balik pada trap dan ventilasi

udara dalam membuang udara jadi berkurang, terutama pada saat start-up. Hal ini

sama juga bila ventilasi udara terintegrasikan didalam steam trap. Bila bentuk

penggunaan ruang steam dan lokasi saluran masuk steam menyebabkan hampir

semua udara meninggalkan saluran keluar kondensat, maka jalur pembuangan

steam trap dan ventilasi udara tidak ditempatkan pada tempat yang tinggi.

Universitas Sumatera Utara