Tangki Air Panas
Tangki air panas atau hot water tank adalah salahsatu komponen sebuah sistem pemanas air atau water heater untuk kebutuhan residensial maupun komersial. Tangki air panas berfungsi sebagai penampung air panas yang dihasilkan oleh mesin water heater sebelum didistribusikan ke jaringan air panas.
Paduan Tembaga dan Stainless Steel (baja tahan karat) adalah bahan yang paling umum digunakan dalam pembuatan tangki air panas. Artikel dari hasil penelitian ini memberikan perbandingan antara kedua bahan ini dan menganalisis kinerja tangki air panas Tembaga dan Baja Tahan Karat. Temuan utama dari investigasi penggunaan Tembaga dan Baja Tahan Karat untuk pembuatan tangki air panas adalah:
- Paduan Stainless Steel yang paling umum digunakan untuk aplikasi tangki air panas adalah baja tahan karat austenitik rendah karbon (304L dan 316 L) dan Duplex (2205 dan 2304). Ketahanan korosi paduan Baja Tahan Karat bergantung pada pemeliharaan lapisan pasif ‘tahan karat’ yang membutuhkan konsentrasi Chromium minimum 11% dan pengaruh lingkungan beroksigen. Sistem air panas suhu rendah dirancang untuk membatasi masuknya oksigen yang dapat mempengaruhi pemeliharaan lapisan pasif tersebut.
- Proses pembuatan terbaik untuk produksi tangki air panas Tembaga telah disajikan dalam sejumlah Standar Inggris yang relevan (terutama BS 1566 dan BS 12897), dimana standar tersebut menyajikan informasi rinci dalam bentuk; area penukar panas minimum, kapasitas penyimpanan, ketebalan material, desain atas dan bawah dll.
- Sebagai logam dasar non-reaktif, Tembaga juga kurang rentan terhadap pembentukan karat dan bahan klorida. Namun, saat meningkatkan kapasitas tangki air panas, kekuatan Tembaga membuatnya kurang kompetitif secara finansial daripada stainless steel.
- Secara umum bahwa tangki air panas Stainless Steel adalah alternatif yang lebih murah daripada tangki tembaga. Akan tetapi dalam proses pembuatannya (manufaktur), maka stainless steel relatif lebih mahal.
- Akhirnya, pertimbangan praktis yang terkait dengan desain penukar panas dan suhu operasi dibahas. Ketika dikombinasikan dengan sumber panas atau water heater yang tidak terkontrol, diameter pipa penukar panas minimum 28 mm diperlukan oleh BS 1566-2 dan dalam kasus di mana suhu penyimpanan dapat melebihi 65⁰C Stainless Steel adalah bahan yang tidak sesuai untuk digunakan berdasarkan literatur pabrikan. Program percobaan komparatif dilakukan di fasilitas pengujian internal Copper Industries (Ireland) Ltd. di Toome, Irlandia Utara. Fasilitas pengujian komprehensif dikonfigurasi untuk menyediakan sirkuit pengisian daya tidak langsung yang berventilasi dan sirkuit pengosongan langsung yang berventilasi. Data di ruang uji, sirkuit pengisian dan pengosongan dan silinder dikumpulkan secara mandiri pada interval 10 detik menggunakan thermokopel T type yang dikalibrasi dan sensor laju aliran turbin inline yang dihubungkan ke pencatat data DT85. Silinder uji dilengkapi dengan serangkaian kantong sensor suhu di sepanjang ketinggiannya sehingga profil air yang disimpan dapat diselidiki selama program eksperimental. Selama retrofit sensor suhu pada tangki Stainless Steel, sejumlah besar karat ditemukan di bagian dalam silinder. Pengujian tiga silinder berkaitan dengan dua fase operasi; pengisian daya (panaskan) dan berdiri (dinginkan). Hasilnya disajikan untuk kedua tahap yang diselidiki bersama dengan evaluasi efektivitas penukar panas di setiap kasus.
Temuan dari pengujian eksperimental dapat diringkas sebagai berikut:
- Kinerja masing-masing tangki air panas uji selama fase Pengisian diselidiki dengan menaikkan suhu air yang disimpan dari kondisi ambien ke suhu penyimpanan yang ditentukan sebelumnya menggunakan boiler minyak non-kondensasi yang memasok silinder dengan laju aliran konstan. Hasil dari percobaan pengisian mengidentifikasi keunggulan Tembaga dibandingkan Baja Tahan Karat dalam hal perpindahan panas dengan silinder Tembaga dengan penukar panas yang sebanding dengan silinder Baja Tahan Karat yang mencapai suhu lebih dari 15 menit lebih cepat daripada silinder Stainless Steel.
- Hasil dari percobaan Charging juga digunakan untuk mengevaluasi kinerja heat exchanger di setiap silinder dan hasil dari analisis ini mengidentifikasi manfaat yang besar dalam menggunakan Tembaga sebagai bahan penukar panas dan juga keuntungan menggunakan Tembaga 28 mm daripada 22 mm Tembaga dari Stainless Steel.
- Setelah percobaan selesai, kemampuan silinder untuk menahan panas yang tersimpan dievaluasi. Tangki air panas didiamkan selama 24 jam tanpa suplai air panas tambahan. Profil suhu dalam tangki air panas terus dimonitor dan hasilnya menunjukkan bahwa perbedaan kehilangan panas dari silinder selama periode 24 jam dapat diabaikan dengan variasi maksimum kehilangan panas rata-rata selama 24 jam sebesar 4 K. Kesimpulannya, efektivitas dan keunggulan biaya yang dirasakan dalam kinerja paduan Stainless Steel yang digunakan dalam penyimpanan air panas domestik tidak berdasar. Selama uji pengisian komparatif, efisiensi penukar panas dalam silinder Tembaga secara signifikan lebih tinggi (per meter) daripada koil dalam silinder Stainless Steel yang diuji. Peningkatan kinerja ini disebabkan oleh konduktivitas thermal Tembaga yang lebih tinggi. Faktor signifikan dalam kesesuaian penggunaan paduan Baja Tahan Karat dalam pembuatan silinder penyimpanan air panas adalah kurangnya pedoman resmi yang setara dengan Standar Inggris yang menjelaskan praktik terbaik dalam pembuatan tangki air panas Tembaga dan batasan penggunaan yang diidentifikasi oleh diameter kumparan penukar panas dan batas atas pada suhu penyimpanan air panas.
Tangki Air Panas Stainless Steel (Baja Tahan Karat)
Istilah Stainless Steel mencakup berbagai macam paduan besi yang berbeda yang dikategorikan dalam 5 kelompok: feritik, martensitik, pengerasan presipitasi, austenitik dan Duplex dengan Duplex menjadi campuran 50/50 dari Baja Tahan Karat feritik dan austenitik. Berbagai paduan Stainless Steel diklasifikasikan menurut struktur kristalnya dan komposisinya yaitu persentase; karbon, kromium, nikel dan molibdenum digunakan. Paduan yang paling umum digunakan untuk aplikasi air panas adalah austenitik seri 300 karbon rendah (304L dan 316L) dan Baja Tahan Karat Dupleks (2205 dan 2304). Istilah ‘tahan karat’ muncul sebagai hasil dari film ‘pasif’ tipis yang dibuat pada permukaan logam yang dibuat saat Chromium dalam logam bereaksi dengan oksigen di lingkungan sekitarnya. Jumlah minimum Chromium yang dibutuhkan untuk passivasi adalah 11% menurut beratnya [7] tetapi pada kebanyakan Baja Tahan Karat konsentrasinya cenderung lebih tinggi. Film passivasi ini mencegah pembentukan oksida besi (karat) dan dapat memperbaiki dirinya sendiri dalam lingkungan yang mengandung oksigen tetapi, bertentangan dengan kepercayaan populer, ini hanya membuat Baja Tahan Karat tahan terhadap korosi, tidak mencegah Baja Tahan Karat dari korosi.
Dalam paduan Baja Tahan Karat, kuantitas dan kombinasi dari komponen-komponen ini memiliki karakteristik sebagai berikut:
- Karbon digunakan untuk menambah kekuatan pada paduan tetapi karbon juga mengurangi ketahanan korosi paduan dengan mengeluarkan Chromium dari baja untuk membuat karbida Chromium meninggalkan area yang lebih rentan terhadap korosi. Sebagai hasil dari Baja Tahan Karat rendah karbon ini (304L dan 316L) umumnya lebih baik untuk silinder penyimpanan daripada rekan karbonnya yang lebih tinggi (304 dan 316).
- Kromium ditambahkan untuk membuat lapisan passivasi dalam kombinasi dengan oksigen saat ada, kunci untuk menjaga ketahanan korosi adalah menjaga oksigen di lingkungan terpasang. Hal ini biasanya sulit dilakukan dalam sistem tangki air panas karena dirancang untuk membatasi masuknya oksigen.
- Nikel menstabilkan besi dan membantu dalam perbaikan lapisan pasif.
- Molibdenum mengurangi keefektifan ion klorida dalam memecah lapisan pasif secara lokal Konduktivitas termal Baja Tahan Karat, yang ditunjukkan pada Tabel 2.1, relatif rendah dibandingkan dengan Tembaga.
Table 2.1 – Thermal conductivity of Stainless Steels commonly used in hot water cylinder manufacture
| Type of Stainless Steel | Designation | Thermal Conductivity (Wm-1K-1) |
| Austenitic | 304L | 16.2 |
| 316L | 16.2 | |
| Duplex | 2205 | 15.9 |
| 2304 | 17 |
Baja Tahan Karat umumnya memiliki biaya bahan yang lebih stabil tetapi, jika digunakan dengan tepat, membutuhkan waktu yang lebih lama dan proses pembuatan yang mahal termasuk pembersihan dan pengawetan untuk memastikan bahwa ketahanan tangki terhadap korosi pulih sepenuhnya. Pengelasan Stainless Steel adalah proses yang relatif sulit dan jika tidak dilakukan dengan benar dapat sangat mengurangi ketahanan korosi logam. Purging adalah proses yang digunakan dalam hubungannya dengan pengelasan yang membatasi oksidasi baja dengan mengganti udara di sekitar lapisan dengan gas inert (biasanya Argon) sampai suhu logam kembali ke suhu di mana oksidasi tidak terlalu menjadi masalah. Setelah proses pengelasan berlangsung, pengawetan digunakan untuk menangani pengelasan dan memungkinkan lapisan pasif terbentuk kembali. Ini bisa sangat sulit dicapai pada permukaan las bagian dalam dan membutuhkan proses khusus. Agar lapisan pasif terbentuk kembali, hasi pengelasan dibersihkan dengan menghilangkan lapisan habis oksida dan kromium menggunakan pasta pengawet asam. Setelah pasta pengawet mengurangi oksida dan lapisan yang menipiskan kromium, pasta tersebut akan dicuci dengan air bertekanan tinggi. Air cucian kemudian harus dibuang sesuai peraturan yang berlaku sebagai bahan yang berbahaya bagi lingkungan. Jika selama dan setelah proses pembuatan Chromium dalam logam telah diawetkan dan oksida memungkinkan pembentukan lapisan pasif maka tangki air panas Stainless Steel akan tahan korosi. Namun, setiap area di mana lapisan pasif telah rusak atau pembentukannya dicegah akan mengakibatkan area yang lebih mudah terkorosi. Perhatian terakhir saat membuat tangki air panas Stainless Steel adalah busa isolasi. Jenis isolasi tertentu, termasuk insulasi busa semprot poliuretan generik, mengandung berbagai jumlah klorida yang dapat dilepas yang secara aktif menyerang Baja Tahan Karat dan dapat menyebabkan pengembangan retak korosi tegangan yang pada gilirannya secara drastis menurunkan harapan hidup silinder penyimpanan. Oleh karena itu kehati-hatian harus dilakukan untuk memilih bahan isolasi yang sesuai.