27
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1. Tujuan Pengujian Proses pengujian merupakan suatu proses evaluasi dari mesin atau alat yang bekerja untuk mengetahui berhasil atau tidaknya mesin tersebut berdasarkan maksud tujuan maupun fungsinya. Sehingga tujuan dari pengujian menara pendingin yang ada adalah : 1. Mengetahui efektivitas menara pendingin 2. Mengetahui besarnya laju aliran air tambahan (make up water) 3. Mengetahui besarnya energi panas yang diterima oleh udara 4. Mengetahui besarnya energi yang dilepas air 5. Mengetahui besarnya perbandingann udara dengan air (L/G)
4.2. Skema Instalasi Menara Pendingin
Udara panas keluar
kipas Air panas masuk
Fill / isian
Udara dingin masuk
Make up water
Water basin
Gambar 4.1 skema instalasi menara pendingin
Proses pendinginan mesin
28
Keterangan : Proses pendingin dimulai dari air panas sisa pendinginan pada strand 1 maupun 2 yang meliputi pendinginan roller,segment,mold dan bender. Kemudian masuk ke dipompakan kembali menuju menara pendingin dan masuk kedalam cold water basin. Proses pendinginan tersebut berlangsung secara continue selama produksi berjalan.
4.3. Data yang diperlukan Data yang diperlukan untuk pengujian ini adalah : 1. Temperatur lingkungan (P1) 2. Kecepatan udara keluar menara (v) 3. Temperatur udara kering masuk menara (Tdb1) 4. Temperatur udara basah masuk menara (Twb1) 5. Temperatur udara kering keluar menara (Tdb2) 6. Temperatur udara basah keluar menara (Twb2) 7. Temperatur air masuk menara (Tw1) 8. Temperatur air keluar menara (Tw2) 9. Laju aliran air dalam sistem (Qv)
4.4. Peralatan yang digunakan Adapun peralatan yang digunakan untuk pengujian menara pendingin basah adalaah sebagai berikut : 1. Higrometer
29
2. Stopwatch 3. Anemometer
4.5. Pelaksanaan Pengujian dan data pengujian. 4.5.1. Langkah Pengujian Pelaksanaan pengujian menara pendingin basah sebagai berikut : 1. Menyiapkan peralatan yang akan digunakan . 2. Membaca besar debit yang mengalir pada water meter, mengukur kecepatan udara keluar menara pendingin (v) dengan anemometer, mengukur Tdb, Twb masuk dan keluar menara dengan higrometer, membaca temperatur masuk dan keluar air pada menara pendingin di HMI. 3. Membuat tabulasi data meliputi Tdb1, Twb1, Tdb2, Twb2, Tw1, Tw2, v, Qv. 4.
Mengulangi langkah tersebut pada kondisi pagi , siang dan malam.
4.5.2.Data Pengujian a. Data pengujian pada tanggal 4 sampai 6 Agustus 2014 Tempat
: Menara Pendingin Pengecoran Baja
Temperatur Lingkungan : 30°C Tekanan Lingkungan
: 99 kPa
30
Tabel 4.1 Data Pengujian
NO
Jam
Tanggal Tdb1
Twb1
Tdb2
Twb2
Tw1
Tw2
V
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C) ( m/s )
Debit ( m3/hr )
1
09.00
4/8/14
33
31
35
33
39
33
2,91
580
2
13.00
4/8/14
34
32
36
33
38
34
2,91
580
3
19.00
5/8/14
32
30
34
32
39
33
2,91
580
4
10.00
6/8/14
33
31
35
33
40
33
2,91
580
5
17.00
6/8/14
33
31
36
33
40
32,8
2,91
580
Keterangan :
Tdb1
: Temperatur udara kering masuk menara pendingin
Twb1
: Temperatur udara basah masuk menara pendingin
Tdb2
: Temperatur udara kering keluar menara pendingin
Twb2
: Temperatur udara basah keluar menara pendingin
Tw1
: Temperatur air masuk menara pendingin
Tw2
: Temperatur air keluar menara pendingin
V
: Kecepatan udara keluar menara pendingin
Qv
: Debit atau Laju aliran air dalam sistem
31
Contoh perhitungan data pengujian menara pendingin basah sebagai berikut : Data pengujian pada hari Rabu, 04 Agustus 2014 jam 09.00 WIB seperti pada tabel 5.1, Diketahui :
Q
= 580 m3/hr
Tdb1
= 33 °C
Twb1
= 31 °C
Tdb2
= 35 °C
Twb2
= 33 °C
Tw1
= 39 °C
Tw2
= 33 °C
Vudr
= 2,91 m/s
Plingk
= 99 kPa
Tlingk
= 30 °C
a) Mencari besarnya tekanan uap air di udara masuk menara pendingin (Pv1) dihitung dengan persamaan 3.1 yaitu sebagai berikut : 𝑃𝑣
RH = 𝑃𝑔 maka Pv1= RH1 x Pg1
Diketahui : Dari hasil pembacaan alat ukur higrometer didapatkan Tdb1 = 33 °C dan Twb1 =31 °C , berdasarkan dari humidity monograph (lampiran 5).
32
Sehingga besarnya RH1 = 85 %. Tekanan jenuh air pada temperatur masuk menara (Pg1). Berdasarkan pembacaan dari tabel saturated water (lampiran 3) pada Tdb1 = 33 °C maka Pg1 = Psat dari 33 °C dihitung dengan interpolasi sebagai berikut : 33−30
Pg1 = (4,246 kPa) + (5,628 kPa – 4,246 kPa). (35−30) = 5,0752 kPa
Sehingga tekanan uap air di udara masuk menara pendingin (Pv1) dapat dihitung sebagai berikut : Pv1
= RH1 x Pg1 = (0,85).(5,0752 kPa) = 4,31392 kPa
Mencari besarnya tekanan uap air di udara keluar menara pendingin (Pv2) dihitung dengan persamaan 2.1 yaitu sebagai berikut :
𝑃𝑣
RH = 𝑃𝑔
maka Pv2= RH2x Pg2 Diketahui : Dari hasil pembacaan alat ukurhigrometer didapatkan Tdb2= 35 °C dan Twb2=33 °C , berdasarkan dari humidity monograph pada (lampiran 5). Sehingga besarnya RH2 = 86 %.
33
Tekanan jenuh air pada temperatur masuk menara (Pg2). Berdasarkan pembacaan dari tabel saturated water (lampiran 3) pada Tdb2= 35 °C maka Pg2= Psat dari 35 °C dihitung sebagai berikut : Pg2 = Psat dari35 °C = 5,628 kPa
Sehingga tekanan uap air di udara keluar menara pendingin (Pv2) dapat dihitung sebagai berikut : Pv2
= RH2 x Pg2 = (0,86).(5,628 kPa) =4,84008 kPa
b) Mencari kelembaban mutlak udara (ῳ) Dapat dihitung dengan persamaan 2.2 yaitu sebagai berikut : ῳ
= =
0,622 𝑃𝑣 𝑃𝑙−𝑃𝑣
maka,
0,622 𝑃𝑣 𝑃𝑎
Diketahui :
Plingk (tekanan lingkungan terbaca pada alat ukur) = 99 kPa
Pv1(tekanan uap air di udara masuk menara pendingin) = 4,31392 kPa
Pv2(tekanan uap air di udara masuk menara pendingin) = 4,84008 kPa
34
Sehingga kita dapat mencari tekanan udara kering dalam udara (Pa) dengan persamaan sebagai berikut : Pa
= Plingk – Pv
Maka, Tekanan udara kering dalam udara masuk menara pendingin (Pa1) dapat dihitung sebagai berikut : Pa1
= Plingk – Pv1 = 99 kPa – 4,31392 kPa = 94,6860 kPa
Tekanan udara kering dalam udara keluar menara pendingin (Pa2) dapat dihitung sebagai berikut : Pa2
= Plingk – Pv2 = 99 kPa – 4,84008 kPa = 94,15992 kPa
Dengan data diatas maka kelembaban mutlak menara (ῳ) dapat dihitung sebagai berikut ini : ῳ
=
0,622 𝑃𝑣 𝑃𝑎
maka, Kelembaban mutlak masuk menara (ῳ1 ) adalah : ῳ1
= =
0,622 𝑃𝑣1 𝑃𝑎1 0,622 𝑥4,31392 kPa 94,6860 kPa
= 0,0284kg air / kg udara kering.
35
Kelembaban mutlak keluar menara (ῳ2 ) adalah : ῳ2
= =
0,622 𝑃𝑣2 𝑃𝑎2 0,622 𝑥4,84008 kPa 94,15992 kPa
= 0,0319kg air / kg udara kering.
c)
Mencari Enthalphi udara pada menara pendingin (h)
Dapat dihitung dengan persamaan 2.11 sebagai berikut ini : h
= Cp.Tdb + ῳ. hv
h
= ha + ῳ .hv
Diketahui : ῳ1(kelembaban mutlak masuk menara pendingin) = 0,0284kg air / kg udara kering ῳ2 (kelembaban mutlak keluar menara pendingin) = 0,0319kg air / kg udara kering cpa (panas spesifik udara kering)= 1,005 kJ / kg udara kering K Cpv (panas spesifik uap air di udara) = 1,82 kJ/kg uap K Tdb1(temperatur udara kering masuk menara pendingin) = 33°C = 306 °K Tdb2 (temperatur udara kering keluar menara pendingin) = 35°C = 308 °K
Maka untuk mencari Entalphi udara masuk menara (h1) diperlukan pencarian data seperti dibawah ini : Mencari entalphi spesifik udara kering masuk menara pendingin (ha1) ha1
= cpax Tdb1
36
= (1,005 kJ / kg udara kering K).(306 °K) = 307,53 kJ / kg udara kering Mencari entalphi spesifik uap air masuk menara pendingin (hv1) hv1
= 2501,3 + cpv . Tdb1 = 2501,3 + [(1,82kJ/kg uap K).(306 °K)] = 3058,22 kJ/kg uap
Sehingga entalphi udara masuk menara (h1) adalah : Diketahui : ῳ 1(kelembaban mutlak masuk menara pendingin) = 0,0284kg air / kg udara kering ha1 (entalphi spesifik udara kering masuk menara pendingin) = 303,53 Kj / kg udara kering hv1 (entalphi spesifik uap air masuk menara pendingin) = 3058,22 KJ/kg uap maka : h1
= ha1+ ῳ1 . hv1 = 307,53kJ/kg udr ker+ (0,0284kg air/kg udr ker).(3058,22kJ/kg uap) = 394,195kJ/kg
Berikutnya mencari Entalphi udara keluar menara (h2) diperlukan pencarian data seperti dibawah ini : Mencari entalphi spesifik udara kering keluar menara pendingin (ha2) ha2
= cpa x Tdb2
37
= (1,005 kJ / kg udara kering K).(308 °K) = 309,54kJ / kg udara kering Mencari entalphi spesifik uap air keluar menara pendingin (hv2) hv2
= 2501,3 + cpv . Tdb2 = 2501,3 + [(1,82kJ/kg uap K).(308 °K)] = 3061,86kJ/kg uap
Sehingga entalphi udara keluar menara (h2) adalah : Diketahui : ῳ2(kelembaban mutlakkeluar menara pendingin) = 0,0319kg air / kg udara kering ha2 (entalphi spesifik udara kering keluar menara pendingin) = 309,54kJ / kg udara kering hv2 (entalphi spesifik uap air keluar menara pendingin) = 3061,86kJ/kg uap maka : h2
= ha2+ ῳ2 . hv2 = 309,54kJ/kg udr ker + (0,0319kg air/kg udr ker).(3061,86kJ/kg uap) = 407,43kJ/kg
d) Mencari energi yang diterima oleh udara aktual (Eud akt) Dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.11 yaitu sebagai berikut : Eud akt = ṁa .(h2 – h1)
38
Untuk mencari energi yang diterima oleh udara aktual (Eud
akt)
diatas diperlukan
pencarian data seperti dibawah ini :
Mencari laju aliran udara kering (ṁa) ṁa = ρ . A .v Diketahui : ρa (massa jenis udara kering) = 1,164kg udara/m3 [diperoleh dari pembacaan tabel massa jenis udara (lampiran ) pada Tlingk = 30 °C] A (luas area keluaran menara pendingin) = 7,065 m2 [diperoleh dengan perhitungan dibawah ini, diketahui diameter (D) = 3 m dan π = 3.14 ] A
= (π.D2)/4 = (3,14 x 3m2) /4 = 7,065 m2
V (kecepatan udara keluar menara) = 2,91 m/s [diperoleh dari pembacaan alat anemometer]
Sehingga laju aliran udara kering (ṁa) dapat dihitung sebagai berikut : ṁa
= ρa . A .v = 1,164kg udara/m3x 7,065m2x 2,91m/s = 23,93kg udara kering / s
Dengan data diatas maka energi yang diterima oleh udara aktual (Eud dicari seperti dibawah ini : Eud akt = ṁa . (h2 - h1)
akt)
dapat
39
Diketahui : ṁa (laju aliran udara kering) = 23,93kg udara kering / s [dari perhitungan diatas] h1(entalphi udara masuk menara) = 394,195kJ/kg [dari perhitungan point c ] h2 (entalphi udara masuk menara) = 407,43kJ/kg [dari perhitungan point c ] sehingga :
Eud akt = ṁa . (h2 - h1) = 23,93kg udara kering /s. (407,43kJ/kg– 394,195kJ/kg) = 316,847kJ/s = 316,847 kW e)
Mencari energi yang dilepas air (Ew) Dapat dicari dengan persamaan 2.10 yaitu sebagai berikut : Ew
= ṁw .Cpw . (Tw1 – Tw2)
Diketahui : ṁw( Laju aliran air masuk menara) = 161,11 kg air/s [dari pembacaan alat ukur] hasil konversi dari580 m3/hr : 580 m3/hr = kg air/s (580).(1000) = 580000 dm3/hr 580000 dm3/3600s = 161,11dm3/s 161,11dm3/s = 161,11 liter air /s =161,11kg air /s Cpw (Panas spesifik air ) = 4,2 kJ/kg K Tw1(Temperatur air panas masuk menara) = 39°C= 312 °K [ dari pembacaan alat ukur]
40
Tw2(Temperatur air panas keluar menara)= 33°C = 306 °K [ dari pembacaan alat ukur] Sehingga : = ṁw .Cpw . (Tw1 – Tw2)
Ew
= (161,11 kg air/s). (4,2 kJ/kg K). (312°K – 306°K) =4060 kJ/s =4060 kW f)
Mencari efektifitas pada menara pendingin (e) Dapat dicari menggunakan persamaan 2.16 yaitu sebagai berikut : Tw1 – Tw2
e = Tw2 – Twb1 𝑥 100% Diketahui :
Tw1 (Temperatur air panas masuk menara) = 39°C [ pembacaan alat ukur ]
Tw2 (Temperatur air panas keluar menara) = 33°C [ pembacaan alat ukur ]
Twb1 (Temperatur bola basah udara masuk menara pendingin) = 31°C Sehingga : Tw1 – Tw2
e = Tw1 – Twb1 𝑥 100% 39°C– 33°C
= 39°C– 31°C 𝑥 100% = 75 %
g) Mencari laju air tambahan pengganti penguapan (ṁwv) Dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.12 yaitu sebagai berikut : ṁwv
= ṁa . (ῳ2 –ῳ1)
41
Diketahui :
ṁa (laju aliran udara kering) = 23,93kg udara kering / s [dari perhitungan point d]
ῳ 1(kelembaban mutlak masuk menara pendingin) = 0,0284kg air / kg udara kering[dari perhitungan point b]
ῳ2 (kelembaban mutlak keluar menara pendingin) = 0,0319kg air / kg udara kering[dari perhitungan point b] Sehingga : ṁwv
= ṁa . (ῳ2 –ῳ 1) = 23,93kg udr krg /s(0,0319kg air/kg udr krg– 0,0284kg air/kg udr krg) = 0,08696kg uap air/s
h) Mencari jangkau pendinginan (range ) menara pendingin Dapat dicari menggunakan persamaan 2.13 yaitu sebagai berikut ini : Range
= Tw1 – Tw2
Diketahui : Tw1 (Temperatur air panas masuk menara) = 39°C [ pembacaan alat ukur ] Tw2 (Temperatur air panas keluar menara) = 33°C [ pembacaan alat ukur ] Sehingga : Range
= Tw1 – Tw2 = 39°C– 33°C = 6 °C
i)
Mencari nilai pendekatan (approach) pada menara pendingin Dapat dicari menggunakan persamaan 2.14 yaitu sebagai berikut ini :
42
= Tw2 – Twb1
Approach Diketahui :
Tw2 (Temperatur air panas keluar menara) = 33°C [ pembacaan alat ukur ]
Twb1 (Temperatur bola basah udara masuk menara pendingin) = 31°C Sehingga : = Tw2 – Twb1
Approach
= 33°C – 31°C = 2 °C
j) Mencari perbandingann nilai cair / gas (L/G) pada menara pendingin Dapat dicari menggunakan persamaan 2.15 yaitu sebagai berikut ini : L/G
(ℎ2−ℎ1)
= (𝑇𝑤1−𝑇𝑤2)
Diketahui :
h1(entalphi udara masuk menara)= 394,195kJ/kg [dari perhitungan point c]
h2 (entalphi udara masuk menara) = 407,43kJ/kg [dari perhitungan point c ]
Tw1 (Temperatur air panas masuk menara) = 39°C [ pembacaan alat ukur ]
Tw2 (Temperatur air panas keluar menara) = 33°C [ pembacaan alat ukur ]
Sehingga : L/G
(ℎ2−ℎ1)
= (𝑇𝑤1−𝑇𝑤2) =
(407,43 kJ/kg−394,195 kJ/kg)
= 1,905
(39°C−33°C)
43
Perhitungan data pengujian no 2 sampai dengan no 5 dilakukan dengan cara yang sama seperti diatas dan hasilnya ditabulasikan seperti dibawah ini :
Tabel 4.2 Tabulasi perhitungan data pengujian NO
1 2 3 4 5
NO
1 2 3 4 5
RH1
RH2
Pv1
Pv2
Pa1
Pa2
(kPa)
(kPa)
(kPa)
(kPa)
ῳ1
ῳ2
ha1
ha2
(kJ/kg)
(kJ/kg)
85
86
4,314
4,84
94,686
94,160
0,028
0,0320
307,530
309,540
86
81
4,602
4,843
94,398
94,157
0,030
0,0320
308,535
310,545
85
86
4,079
4,602
94,921
94,398
0,027
0,030
306,525
308,535
85
86
4,314
4,84
94,686
94,160
0,028
0,0320
307,530
309,540
85
81
4,314
4,843
94,686
94,157
0,028
0,0320
307,530
310,545
hv1
hv2
h1
ha
Eud akt
Ew
(kJ/kg)
(kJ/kg)
(kW)
(kW)
(kg/s)
Range (C)
Approach (C)
L/G
(kJ/kg)
E (%)
ṁmv
(kJ/kg)
3058,220
3061,860
394,195
407,435
316,847
4.060
75
0,08696
6
2
1,905
3060,040
3063,680
401,333
408,564
173,043
2.707
66,666
0,03992
4
2
1,601
3056,400
3060,040
388,219
401,333
313,831
4.060
66,666
0,08607
6
3
1,888
3058,220
3061,860
394,195
407,435
316,847
4.737
77,777
0,08697
7
2
1,634
3058,220
3063,680
394,195
408,564
343,855
4.872
80
0,08747
7,2
1,8
1,743
44
4.4.3 Grafik Data Pengujian
90
efektivitas pada menara pendingin (%)
80 70 60 50 40
78
80
6/8/2014 (10.00)
6/8/2014 (17.00)
75
30
67
67
4/8/2014 (13.00)
5/8/2014 (19.00)
20 10 0 4/8/2014 (09.00)
tanggal dan waktu pengujian
Gambar 4.2 Grafik hubungan antara tanggal dan waktu pengujian dengan efektivitas
Berdasarkan grafik batang pada gambar 4.2 dapat diketahui bahwa pada pengujian menara pendingin yang ada memiliki efektivitas sistem yang optimal dicapai pada temperatur air masuk 40°C (data ke 5) pada tanggal 6/8/2014 jam 17.00 WIB dengan efectivitas 80%. Pada pengujian tanggal tersebut memiliki range yang tinggi hal ini membuktikan bahwa semakin tinggi range maka semakin tinggi pula efektivitas dari menara pendingin tersebut.
45
6,000
energi yang dilepaskan air (KW)
5,000
4,000
3,000
2,000
4,060
4,737
4,872
6/8/2014 (10.00)
6/8/2014 (17.00)
4,060 2,707
1,000
0 4/8/2014 (09.00)
4/8/2014 (13.00)
5/8/2014 (19.00)
tanggal dan waktu pengujian
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara tanggal dan waktu pengujian dengan energi yang dilepas air
Berdasarkan grafik batang pada gambar 4.3 dapat diketahui bahwa energi yang dilepas air pada menara pendingin tersebut yang paling besar terjadi pada data ke 5 tanggal 6/8/2014 jam 17.00 WIB dengan temperatur 40°C yaitu besar 4.872 kW . Hal ini membuktikan bahwa besarnya energi yang dilepas air pada menara pendingin dipengaruhi oleh temperatur masuk menara dan temperatur keluar menara (kenaikan dan penurunan temperatur air) serta besarnya laju aliran air yang masuk pada menara pendingin.Semakin besar laju aliran air yang masuk maka semakin tinggi energi yang dilepaskan dari menara pendingin tersebut.
46
8
7
6
range (C)
5
4
3
6
2
7
7.2
6/8/2014 (10.00)
6/8/2014 (17.00)
6
4
1
0 4/8/2014 (09.00)
4/8/2014 (13.00)
5/8/2014 (19.00)
tanggal dan waktu pengujian
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara tanggal dan waktu pengujian dengan jangkau pendinginan (range).
Berdasarkangrafik batang pada gambar 4.4 dapat diketahui bahwa menara pendingin yang ada memiliki range sistem yang optimal dicapai pada temperatur air masuk 40°C dan temperatur keluar 32,8°C atau dengan range sebesar 7,2 pada tanggal 6/8/2014 jam 17.00 WIB. Hal ini membuktikan bahwa menara pendingin tersebut telah mampu menurunkan temperatur air secara efektif, dan kinerja atau efectivitas menara pendingin tersebut bagus.
47
4
3
approach (C)
3
2
2
1
3
2
2
2
4/8/2014 (09.00)
4/8/2014 (13.00)
1.8
1
0 5/8/2014 (19.00)
6/8/2014 (10.00)
6/8/2014 (17.00)
tanggal dan waktu pengujian
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara tanggal dan waktu pengujian dengan nilai pendekatan (approach)
Berdasarkangrafik batang pada gambar 4.5 dapat diketahui bahwa menara pendingin yang ada memiliki approach sistem yang optimal dicapai pada temperatur air masuk 40°C , temperatur keluar 32,8°C dan temperatur wet bulbambien 31°C atau dengan approach sebesar 1,8 yaitu pada pengambilan data tanggal 6/8/2014 jam 17.00 WIB. Hal ini membuktikan bahwa semakin rendah approach maka semakin baik kinerja atau efectivitas menara pendingin tersebut.
48
1.950 1.900 1.850 1.800
L/G
1.750 1.700 1.650
1.906
1.888
1.600 1.743
1.550 1.500
1.633
1.601
1.450 1.400 4/8/2014 (09.00)
4/8/2014 (13.00)
5/8/2014 (19.00)
6/8/2014 (10.00)
6/8/2014 (17.00)
tanggal dan waktu pengujian
Gambar 4.6 Grafik hubungan antara tanggal dan waktu pengujian dengan rasio L/G
Berdasarkan grafik batang pada gambar 4.6 dapat diketahui bahwa perbandingan L/G menara pendingin selama pengambilan data memiliki rata-rata nilainya adalah 1,754 atau memenuhi syarat pada nilai desain isian film (film fill) pada tabel 2.2 dengan nilai rasio L/G antara 1,5 – 2,0. Sehingga Sesuai dengan data yang ada menara pendingin tersebut, yaitu memiliki jenis bahan pengisi jenis film. Untuk menara pendingin yang ada isian jenis film mampu mendapatkan efektivitas yang baik.
