PENELITIAN KINERJA INDUCED DRAFT COOLING TOWER DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI SEBAGAI FILLING MATERIAL
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DIAN MORFI NASUTION NIM. 050401105
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
i
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji dan syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat, hidayah, dan karunia-Nya serta nikmat kesehatan sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan sebaik-baiknya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW, contoh tauladan dalam kehidupan ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Skripsi yang dipilih adalah dalam bidang Termodinamika Teknik dengan judul "PENELITIAN
KINERJA
INDUCED
DRAFT
COOLING
TOWER
DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI SEBAGAI FILLING MATERIAL". Dalam menyelesaikan Skripsi ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Dr. Armansyah Ginting, M.Eng (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Bapak Ir. H. M. Yahya Nasution, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, menasihati, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini. 5. Bapak Ir. Zamanhuri, MT yang juga banyak membimbing dan membantu dalam penelitian ini khususnya perancangan water heater. 6. Bapak Prof.Dr. Darwin Dalimunthe, Ph.D dan Bapak Abdul Hadi, SE. Msi 7. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Mora Oloan Nasution, BA dan (Ibu) Friatni Hastuti yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada
ii
adik-adik, yaitu Aulia Morfi Nasution, Aji Muthahari Morfi Nasution, dan Eprin Bahar Nasution. 8. Rekan satu tim, Oberman David S, Jefry SH, dan Henry, atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini. 9. Abang-abang stambuk 2004, tim riset sebelumnya yang telah membantu dalam penelitian ini. 10. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2005 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan Skripsi ini, "Solidarity Forever". 11. Anak kos sofyan 88 periode 2003/2007 dan sahabat seluruhnya.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Skripsi ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Skripsi ini dikemudian hari. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Allah SWT semoga Skripsi ini bermanfaat untuk kita semua.
Medan, 12 Februari 2010 Penulis
Dian Morfi Nasution
iii
ABSTRAK Filling material (bahan pengisi) adalah komponen yang sangat berpengaruh terhadap kinerja menara pendingin, dimana permukaan kontak antara air dengan udara diperluas dan waktu kontaknya diperpanjang. Salah satu bentuk bahan pengisi yang paling mutakhir adalah bentuk inclined honey comb yang terbuat dari lembaran PVC tipis yang harganya cukup mahal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menemukan suatu jenis bahan pengisi yang baru dengan tingkat efektifitas yang memadai dan harga yang terjangkau. Bahan pengisi yang diaplikasikan pada penelitian ini dibuat dari tumpukan potongan pipa PVC ؽ", ؾ" , dan Ø1". Skripsi ini menyajikan hasil penelitian dengan bahan pengisi dari pipa PVC Ø1", sedangkan ukuran yang lain disajikan oleh rekan-rekan lain yang juga merupakan anggota tim penelitian ini. Penelitian ini dilakukan dengan menguji beberapa parameter yang menunjukkan kinerja menara pendingin seperti range, approach, beban pendinginan, dan laju penguapan air yang mengaplikasikan bahan pengisi non-konvensional ini. Hasil penelitian diperoleh data-data utama yaitu ketinggian optimal bahan pengisi, berat bahan pengisi, suhu bola basah udara, debit air optimal, kebutuhan udara, dan harga bahan pengisi. Sehingga tampak bahwa potongan pipa PVC ؽ", ؾ" , dan Ø1" dapat direkomendasikan sebagai bahan pengisi yang cukup baik untuk menara pendingin selain inclined honey comb filling. Kata kunci: bahan pengisi, kinerja menara pendingin.
ABSTRACT Filling material is a component that influence the performance of a cooling tower, where the contact surface and period between water and air are extended. One of the best forms of fill is the inclined-honeycomb form that is made from PVC lamellas which the price is quite expensive. The aim of this research is to find a new filling material with reliable effectiveness and affordable cost. The filling material itself was made from stacks of chopped PVC pipe with the size of ؽ", ؾ", and Ø1". This paper itself provides the result from the research of Ø1" size of PVC filling material, while the other sizes are provided by the other members of this research. This research was conducted by examining some parameters that indicate the performance of a cooling tower such as range, approach, heat load and evaporation rate with this non-conventional filling material. The research show main points are height optimum filling material, weight of filling material, wet bulb temperature, water debit optimum, air volume and cost of filling material. So we can see that chopped PVC pipe with the size of ؽ", ؾ", and Ø1" can be recomanded as a new filling material for cooling tower beside inclined honey comb filling. Key words: filling material, performance of a cooling tower.
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR…...................................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................................ iii DAFTAR ISI......................................................................................................... iv DAFTAR TABEL ................................................................................................ vi DAFTAR GAMBAR............................................................................................ vii DAFTAR NOTASI............................................................................................... x DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xi BAB I PENDAHULUAN.................................................................................. 1 1.1. Latar Belakang...................................................................................... 1 1.2. Batasan Masalah ................................................................................... 2 1.3. Tujuan Penelitian.................................................................................. 2 1.4. Manfaat Penelitian ............................................................................... 2 1.5. Sistematika Penulisan ........................................................................... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA....................................................................... 4 2.1. Pengertian Menara Pendingin............................................................... 4 2.2. Fungsi Menara Pendingin..................................................................... 5 2.3. Prinsip Kerja Menara Pendingin........................................................... 6 2.4. Konstruksi Menara Pendingin .............................................................. 7 2.5. Klasifikasi Menara Pendingin .............................................................. 11 2.5.1. Menara Pendingin Basah (Wet Cooling Tower) ........................ 11 2.5.2. Menara Pendingin Kering (Dry Cooling Tower) ....................... 17 2.5.3. Menara Pendingin Basah-Kering (Wet-Dry Cooling Tower) ....................................................................................... 20 2.6. Kinerja Menara Pendingin ................................................................... 21 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................................ 26 3.1. Perencanaan Awal Penelitian ............................................................... 26 3.1.1. Pemilihan Jenis Menara Pendingin ............................................ 26 3.1.2. Penempatan Menara Pendingin.................................................. 26 3.2. Perencanaan Instalasi Menara Pendingin............................................. 26 3.2.1. Penentuan kapasitas aliran udara fan ......................................... 27
v
3.2.2. Penentuan cooling range menara pendingin .............................. 28 3.2.3. Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin ............ 28 3.2.4. Perancangan kondensor sebagai penyedia air panas ............. 29 3.2.5. Perancangan konstruksi menara pendingin................................ 34 3.2.6. Pemilihan sprinkler .................................................................... 37 3.2.7. Perencanaan instalasi menara pendingin.................................... 38 3.2.8. Perencanaan bahan pengisi (filling material) ........................................................................ 39 3.3. Alat Ukur yang Digunakan................................................................... 40 3.4. Pelaksanaan Penelitian ......................................................................... 44 3.5. Perumusan hasil Penelitian ................................................................... 47 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 48 4.1. Hasil Penelitian..................................................................................... 48 4.2. Pembahasan Hasil Penelitian................................................................ 55 4.3. Perbandingan Hasil Penelitian.............................................................. 62 BAB V KESIMPULAN & SARAN .................................................................. 66 5.1. Kesimpulan........................................................................................... 66 5.2. Saran ..................................................................................................... 67 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Range dan approach temperatur pada menara pendingin ...................... 4 Gambar 2.2. Skema menara pendingin ................................................................ 6 Gambar 2.3. Konstruksi menara pendingin.......................................................... 7 Gambar 2.4. Splash Filling material.................................................................... 9 Gambar 2.5. Film Filling material....................................................................... 10 Gambar 2.6. Low-clog Film Filling material....................................................... 11 Gambar 2.7. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah ................. 12 Gambar 2.8. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang ......................... 13 Gambar 2.9. Menara pendingin Forced Draft ..................................................... 15 Gambar 2.10. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan ........... 15 Gambar 2.11. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang.............. 16 Gambar 2.12. Menara pendingin aliran angin gabungan ....................................... 17 Gambar 2.13. Menara pendingin kering langsung ................................................. 18 Gambar 2.14. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan kondensor permukaan konvensional ................................ 19 Gambar 2.15. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase......................................... 20 Gambar 2.16. Menara pendingin basah-kering ...................................................... 21
Gambar 2.17. Diagram menara pendingin ............................................................. 25 Gambar 3.1. Fan .................................................................................................. 27 Gambar 3.2. Pompa Air ....................................................................................... 28 Gambar 3.3. Diagram Temperatur Alat penukar kalor ........................................ 32 Gambar 3.4. Pipa tembaga yang siap digunakan ................................................. 33 Gambar 3.5. Alat penukar kalor........................................................................... 34 Gambar 3.6. Alat penukar kalor dan Steam Generator yang selesai dirakit .............................................................................................. 34 Gambar 3.7. Rangka menara pendingin............................................................... 35 Gambar 3.8. Dimensi menara pendingin.............................................................. 36 Gambar 3.9. Water Basin ..................................................................................... 37 Gambar 3.10. Sprinkler ......................................................................................... 37
viii
Gambar 3.11. Skema instalasi menara pendingin.................................................. 38 Gambar 3.12. Menara pendingin yang telah selesai dirakit ................................... 39 Gambar 3.13. Filling material ............................................................................... 40 Gambar 3.14. Flowmeter........................................................................................ 41 Gambar 3.15. Anemometer..................................................................................... 42 Gambar 3.16. Thermometer ................................................................................... 43 Gambar 3.17. Termohigrometer............................................................................. 44 Gambar 3.18. Pengukuran suhu udara dan kelembaban relatif (RH)..................... 45 Gambar 3.19. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian. ............................................ 46 Gambar 4.1. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin .................................. 50 Gambar 4.2. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin............................... 51 Gambar 4.3. Grafik hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin ............................................................................ 53 Gambar 4.4. Grafik hubungan antara debit air terhadap RH udara keluar menara pendingin ............................................................................ 54 Gambar 4.5. Grafik hubungan antara debit air terhadap suhu udara keluar menara pendingin ................................................................. 55 Gambar 4.6. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik.............................................................................. 56 Gambar 4.7. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin........................... 58 Gambar 4.8. Grafik hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin...................... 59 Gambar 4.9. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan terhadap laju penguapan air ........................................................... 60 Gambar 4.10. Grafik hubungan kenaikan debit air terhadap rasio airudara............................................................................................... 61 Gambar 4.11. Hubungan kebutuhan udara dengan luas penampang fill pada menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-15 dan hasil penelitian......................................................................... 64
ix
Gambar 4.12. Hubungan debit air dengan luas penampang fill pada menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-30 dan hasil penelitian ................................................................................ 65
vi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi ketinggian filling material (Debit air masuk konstan 16,5 ℓ/min) ................................................................................................. 48 Tabel 4.2. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin........................................................... 49 Tabel 4.3. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin........................................................... 50 Tabel 4.4. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi kenaikan debit air (ketinggian filling material 12 cm) ....................... 52 Tabel 4.5. Hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin ............ 52 Tabel 4.6. Hubungan antara debit air dengan RH udara keluar menara pendingin ............................................................................................ 53 Tabel 4.7. Hubungan antara debit air dengan suhu udara keluar menara pendingin ............................................................................................ 54 Tabel 4.8. Hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik ........... 56 Tabel 4.9. Hubungan kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin .................................................................. 57 Tabel 4.10. Hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin .................................... 58 Tabel 4.11. Hubungan kenaikan debit air terhadap laju penguapan air menara pendingin .............................................................................. 60 Tabel 4.12. Hubungan kenaikan debit air terhadap rasio air dengan udara.................................................................................................. 61 Tabel 4.13. Perbandingan hasil penelitian filling material pipa PVC Ø ½ inci, Ø ¾ inci, dan Ø 1 inci ........................................................... 62 Tabel 4.14. Perbandingan spesifikasi menara pendingin yang mengaplikasikan inclined-honeycomb filling material dengan menara pendingin hasil penelitian ........................................ 63
x
DAFTAR NOTASI
Simbol
Keterangan
Satuan
A
Luas penampang
m2
Cp
Panas jenis
kJ/kg °C
Cfm
Cubic feet per minute
ft3min
D
Diameter
m
h
Tinggi lapisan fill (tumpukan)
-
ha
Entalpi udara kering
kJ/kg
hin
Koefisien perpindahan kalor
W/m2.°C
di dalam pipa hf
Entalpi air
kJ/kg
hfg
Latent heat of vaporization
J/kg
hout
Koefisien perpindahan kalor
W/m2.°C
di luar pipa hv
Entalpi uap air di udara
kJ/kg
k
Konduktivitas termal
W/m.°C
L
Panjang
m
m
Debit air
ℓ/menit
m sp.
Debit air spesifik
ℓ/min/m2
Nu Pr Q
Angka Nusselt Angka Prandtl Kapasitas pendinginan
kJ/s
Qsp
Kapasitas pendinginan spesifik
kJ/s/m2
R
Tahanan termal
°C/W
r
Jari-jari
m
Re
Angka Reynolds
-
RH
Kelembaban relatif
%
Tdb
Temperatur udara kering
°C
Twb
Temperatur bola basah udara
°C
U
Koefisien pindahan panas
W/m2 °C
menyeluruh
xi
.
V
Debit aliran udara
m3/s
v
Kecepatan udara
m/s
v
Volum spesifik
m3/kg
µ
Viskositas
kg/m.s
ρ
Mass density
kg/m3
ωH
Rasio kelembaban udara
kg uap air / kg udara
ωω
Rasio cair-gas udara
kg air / kg udara kering
ρA
Kerapatan air
kg/ℓ
∆T
Perubahan temperatur
°C
ΔTm
Log Mean Temperature Difference °C
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Kebanyakan sistem pengkondisian udara dan proses-proses industri menghasilkan kalor yang harus dibuang dan disipasikan. Secara umum air banyak digunakan sebagai media penukar kalor untuk membuang kalor dari berbagai kondensor pesawat pendingin ataupun alat-alat penukar kalor dari proses industri. Pada masa lampau, hal ini dicapai dengan memanfaatkan pengaliran air dingin yang kontinu dari sumber-sumber air, melewatkannya pada proses yang membutuhkan pendinginan, dan kemudian membuangnya kembali sebagai air keluaran yang panas. Hal ini secara langsung dapat menyebabkan gangguan ekologi air. Selain itu, semakin berkembangnya kehidupan masyarakat dan sektor industri mengakibatkan dukungan sumber air semakin terbatas baik secara kuantitas maupun kualitas. Menara pendingin dapat mengatasi masalah tersebut di atas, karena mampu menurunkan suhu air lebih dari peralatan-peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang kalor. Menara pendingin menurunkan suhu aliran
air
dengan
cara
mengektrasikan
kalor
dari
air
tersebut
dan
mengemisikannya ke atmosfir. Konsumsi air dari suatu sistem menara pendingin hanya sekitar 5% dibandingkan dengan sistem pengaliran air sekali lewat yang telah disebutkan di atas, sehingga merupakan sistem yang paling ekonomis dari segi konservasi air. Selain itu, jumlah air panas yang terbuang (blowdown) sangatlah kecil, sehingga efek terhadap ekologi juga sangat minim. Salah satu komponen yang sangat mempengaruhi kinerja menara pendingin adalah bahan pengisi atau Fill. Bahan pengisi berguna untuk memfasilitasi perpindahan kalor guna memaksimalkan kontak udara dengan air. Dewasa ini terus dikembangkan bentuk dan susunan bahan isian yang dapat memberikan tingkat keefektifan pendinginan yang memadai dengan biaya produksi rendah. Fakta ini mendorong penulis merealisasikan sebuah penelitian untuk mendapatkan suatu jenis bahan pengisi yang baru, sederhana, dan murah sehingga dapat mengurangi ketergantungan pada barang import.
2
1.2. Batasan Masalah Menara pendingin yang digunakan dalam penelitian ini adalah menara pendingin basah tipe aliran angin tarik (induced-draft cooling tower). Menara pendingin ini mendinginkan air panas yang disimulasikan oleh pemanas air berupa alat penukar kalor yang menggunakan uap dari steam generator sebagai media pemanasnya. Lalu menjatuhkannya pada filling material yang terbuat dari potongan-potongan pipa PVC Ø 1 inci dengan panjang potongan 5 cm terhadap aliran udara oleh fan agar menjadi air bertemperatur normal. Adapun temperatur air panas yang akan didinginkan dibatasi sebesar 33°C dan temperatur air normal rata-rata adalah 28°C. Pembatasan masalah pada penelitian ini mencakup permasalahan termodinamika secara adiabatis dan hal yang utama adalah kinerja filling material tersebut.
1.3. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah 1. Mencari ketinggian filling material (bahan pengisi) sederhana berupa potongan-potongan pipa PVC Ø 1 inci yang optimal dalam menurunkan temperatur air. 2. Mendapatkan data-data spesifikasi utama dari menara pendingin hasil penelitian. 3. Membandingkan kinerja menara pendingin hasil penelitian dengan menara pendingin yang menggunakan inclined honey comb filling.
1.4. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Memperoleh filling material baru yang dapat diaplikasikan secara luas pada menara pendingin dengan tingkat efektifitas yang memadai dan harga yang terjangkau. 2. Memberikan informasi dan masukan kepada pembaca maupun penulis sebagai pengetahuan dan perkembangan dari menara pendingin.
3
1.5. Sistematika Penulisan Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut : 1. Bab I Pendahuluan Bab ini berisikan latar belakang penelitian, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan laporan. 2. Bab II Tinjauan Pustaka Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai pengertian, fungsi, jenis, prinsip kerja, dan konstruksi dari menara pendingin. Serta kinerja menara pendingin dengan menggunakan persamaan-persamaan termodinamika. 3. Bab III Metodologi Penelitian Bab ini berisikan urutan dan cara yang dilakukan pada penelitian mulai dari perencanaan awal penelitian, perencanaan instalasi menara pendingin, alat ukur yang digunakan, pelaksanaan penelitian, dan perumusan hasil penelitian. 4. Bab IV Hasil Penelitian dan Pembahasan Bab ini berisikan penyajian data-data hasil penelitian menara pendingin yang diplot ke dalam beberapa grafik dan pembahasan kinerja menara pendingin dengan persamaan-persamaan termodinamika. 5. Bab V Kesimpulan dan Saran Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan yang diperoleh dari penelitian dan saran untuk pengembangan menara pendingin kedepannya. 6. Daftar Pustaka Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan dalam penelitian dan penyusunan laporan ini. 7. Lampiran Lampiran berisikan Psychrometric Chart, gambar kerja menara pendingin yang dirancang, perhitungan berat filling material, katalog menara pendingin yang dibandingkan, dan foto-foto hasil penelitian.
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Menara Pendingin Menurut El. Wakil, menara pendingin didefinisikan sebagai alat penukar kalor yang fluida kerjanya adalah air dan udara yang berfungsi mendinginkan air dengan kontak langsung dengan udara yang mengakibatkan sebagian kecil air menguap. Dalam kebanyakan menara pendingin yang bekerja pada sistem pendinginan udara menggunakan pompa sentrifugal untuk menggerakkan air vertikal ke atas melintasi menara. Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range dan approach seperti yang terlihat pada gambar berikut.
Gambar 2.1. Range dan approach temperatur pada menara pendingin
Range adalah perbedaan suhu antara tingkat suhu air masuk menara pendingin dengan tingkat suhu air yang keluar menara pendingin atau selisih antara suhu air panas dan suhu air dingin, sedangkan approach adalah perbedaan antara temperatur air keluar menara pendingin dengan temperatur bola basah udara yang masuk atau selisih antara suhu air dingin dan temperatur bola basah (wet bulb) dari udara atmosfir.
5
Temperatur udara sebagaimana umumnya diukur dengan menggunakan termometer biasa yang sering dikenal sebagai temperatur bola kering (dry bulb temperature), sedangkan temperatur bola basah (wet bulb temperature) adalah temperatur yang bolanya diberi kasa basah, sehingga jika air menguap dari kasa dan bacaan suhu pada termometer menjadi lebih rendah daripada temperatur bola kering. Pada kelembaban tinggi, penguapan akan berlangsung lamban dan temperatur bola basah (Twb) identik dengan temperatur bola kering (Tdb). Namun pada kelembaban rendah sebagian air akan menguap, jadi temperatur bola basah akan semakin jauh perbedaannya dengan temperatur bola kering. Adapun sistem mesin pendingin yang paling banyak digunakan adalah sistem kompresi uap. Secara garis besar komponen sistem pendingin siklus kompresi uap terdiri dari: 1. Kompresor, berfungsi untuk mengkompresi refrijeran dari fasa uap tekanan rendah evaporator hingga ke tekanan tinggi kondensor. 2. Kondensor, berfungsi untuk mengkondensasi uap refrijeran kalor lanjut yang keluar dari kompresor. 3. Katup ekspansi, berfungsi untuk mencekik (throttling) refrijeran bertekanan tinggi yang keluar dari konsensor dimana setelah melewati katup ekspansi ini tekanan refrijeran turun sehingga fasa refrijeran setelah keluar dari katup ekspansi ini adalah berupa fasa cair + uap. 4. Evaporator, berfungsi untuk menguapkan refrijeran dari fasa cair + uap menjadi fasa uap
2.2. Fungsi Menara Pendingin Semua mesin pendingin yang bekerja akan melepaskan kalor melalui kondensor, refrijeran akan melepas kalornya kepada air pendingin sehingga air menjadi panas. Selanjutnya air panas ini akan dipompakan ke menara pendingin. Menara pendingin secara garis besar berfungsi untuk menyerap kalor dari air tersebut dan menyediakan sejumlah air yang relatif sejuk (dingin) untuk dipergunakan kembali di suatu instalasi pendingin atau dengan kata lain menara
6
pendingin berfungsi untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfer. Menara
pendingin
mampu
menurunkan
suhu
air
lebih
rendah
dibandingkan dengan peralatan-peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien energinya.
2.3. Prinsip Kerja Menara Pendingin Prinsip kerja menara pendingin berdasarkan pada pelepasan kalor dan perpindahan kalor. Dalam menara pendingin, perpindahan kalor berlangsung dari air ke udara. Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sehingga air yang tersisa didinginkan secara signifikan.
Gambar 2.2. Skema menara pendingin
Prinsip kerja menara pendingin dapat dilihat pada gambar di atas. Air dari bak/basin dipompa menuju heater untuk dipanaskan dan dialirkan ke menara pendingin. Air panas yang keluar tersebut secara langsung melakukan kontak dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena pengaruh fan atau blower yang terpasang pada bagian atas menara pendingin, lalu mengalir jatuh ke bahan pengisi.
7
Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet-bulb udara. Air yang sudah mengalami penurunan suhu ditampung ke dalam bak/basin. Pada menara pendingin juga dipasang katup make up water untuk menambah kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air ketika proses evaporative cooling tersebut sedang berlangsung.
2.4. Konstruksi Menara Pendingin Adapun konstruksi menara pendingin jenis aliran angin tarik (induced draft counterflow cooling tower) adalah sebagai berikut.
Gambar 2.3. Konstruksi menara pendingin
Konstruksi menara pendingin secara garis besar terdiri atas: 1. Kipas (fan) Kipas merupakan bagian terpenting dari sebuah menara pendingin karena berfungsi untuk menarik udara dingin dan mensirkulasikan udara tersebut di dalam menara untuk mendinginkan air. Jika kipas tidak berfungsi maka kinerja
8
menara pendingin tidak akan optimal. Kipas digerakkan oleh motor listrik yang dikopel langsung dengan poros kipas. 2. Kerangka pendukung menara (tower supporter) Kerangka pendukung menara berfungsi untuk mendukung menara pendingin agar dapat berdiri kokoh dan tegak. Tower supporter terbuat dari baja. 3. Rumah menara pendingin (casing) Rumah menara pendingin (casing) harus memiliki ketahanan yang baik terhadap segala cuaca dan umur pakai (life time) yang lama. Casing terbuat dari seng. 4. Pipa sprinkler Pipa sprinkler merupakan pipa yang berfungsi untuk mensirkulasikan air secara merata pada menara pendingin, sehingga perpindahan kalor air dapat menjadi efektif dan efisien. Pipa sprinkler dilengkapi dengan lubang-lubang kecil untuk menyalurkan air. 5. Penampung air (water basin) Water basin berfungsi sebagai pengumpul air sementara yang jatuh dari filling material sebelum disirkulasikan kembali ke kondensor. Water basin terbuat dari seng. 6. Lubang udara (inlet louver) Inlet louver berfungsi sebagai tempat masuknya udara melalui lubanglubang yang ada. Melalui inlet louver akan terlihat kualitas dan kuantitas air yang akan didistribusikan. Inlet louver terbuat dari seng. 7. Bahan Pengisi (filling material) Filling material merupakan bagian dari menara pendingin yang berfungsi untuk mencampurkan air yang jatuh dengan udara yang bergerak naik. Air masuk yang mempunyai suhu yang cukup tinggi (33oC) akan disemprotkan ke filling material. Pada filling material inilah air yang mengalir turun ke water basin akan bertukar kalor dengan udara segar dari atmosfer yang suhunya (28oC). Oleh sebab itu, filling material harus dapat menimbulkan kontak yang baik antara air dan udara agar terjadi laju perpindahan kalor yang baik. Filling material harus kuat, ringan dan tahan lapuk.
9
Filling material ini mempunyai peranan sebagai memecah air menjadi butiran-butiran tetes air dengan maksud untuk memperluas permukaan pendinginan sehingga proses perpindahan panas dapat dilakukan seefisien mungkin. Filling material ini umumnya terdiri dari 2 jenis lapisan: 1. 1st level packing Merupakan Filling material lapisan atas yang mempunyai celah sarang lebah lebih besar dimaksudkan untuk pendinginan tahap pertama. Fluida yang akan didinginkan pertama kali dialirkan ke lamella ini. 2. 2nd level packing Merupakan Filling material yang lebih lembut untuk second stage pendinginan. Pabrikan package menara pendingin umumnya merancang Filling material pada stage ini lebih tebal sehigga dapat menampung kapasitas fluida yang lebih banyak.
Jenis bahan pengisi dapat dibagi menjadi: a. Bahan pengisi jenis percikan (Splash fill) Air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Luas permukaan butiran air adalah luas permukaan perpindahan kalor dengan udara. Bahan pengisi percikan dari plastik memberikan perpindahan kalor yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu.
Gambar 2.4. Splash Fill
10
b. Bahan pengisi jenis film (film fill) Terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak yang berdekatan dimana diatasnya terdapat semprotan air, membentuk lapisan film yang tipis dan melakukan kontak dengan udara. Permukaannya dapat berbentuk datar, bergelombang, berlekuk, atau pola lainnya. Pada bahan pengisi film, air membentuk lapisan tipis pada sisi-sisi lembaran pengisi. Luas permukaan dari lembaran pengisi adalah luas perpindahan kalor dengan udara sekitar. Jenis bahan pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan kalor yang sama dalam volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash. Bahan pengisi film dapat menghasilkan penghematan listrik yang signifikan melalui kebutuhan air yang lebih sedikit dan head pompa yang lebih kecil.
Gambar 2.5. Film Fill
c. Bahan pengisi sumbatan rendah (Low-clog film fill) Bahan pengisi sumbatan rendah dengan ukuran flute yang lebih tinggi, saat ini dikembangkan untuk menangani air yang keruh. Jenis ini merupakan pilihan terbaik untuk air laut karena adanya penghematan daya dan kinerjanya dibandingkan tipe bahan pengisi jenis percikan konvensional.
11
Gambar 2.6. Low-clog Film Fill 2.5. Klasifikasi Menara Pendingin Ada banyak jenis klasifikasi menara pendingin, namun pada umumnya pengklasifikasian dilakukan berdasarkan sirkulasi air yang terdapat di dalamnya. Menurut J.R. Singham menara pendingin dapat diklasifikasikan atas tiga bagian, yaitu: 1. Menara pendingin basah (wet cooling tower) 2. Menara pendingin kering (dry cooling tower) 3. Menara pendingin basah-kering (wet-dry cooling tower) Setiap jenis menara pendingin ini mempunyai kelebihan dan kekurangan masingmasing.
2.5.1. Menara Pendingin Basah (Wet Cooling Tower) Menara pendingin basah mempunyai sistem distribusi air panas yang disemprotkan secara merata ke kisi-kisi, lubang-lubang atau batang-batang horizontal pada sisi menara yang disebut isian. Udara masuk dari luar menara melalui kisi-kisi yang berbentuk celah-celah horizontal yang terpancang pada sisi menara. Celah ini biasanya mengarah miring ke bawah supaya air tidak keluar. Oleh karena ada percampuran antara air dan udara terjadi perpindahan kalor sehingga air menjadi dingin. Air yang telah dingin itu berkumpul di kolam atau bak di dasar menara dan dari situ diteruskan ke dalam kondensor atau dibuang keluar, sehingga udara sekarang kalor dan lembab keluar dari atas menara. Berdasarkan literatur El. Wakil, menara pendingin basah dapat dibagi menjadi:
12
1. Menara Pendingin Basah Aliran Angin
Alami (Natural-Draft Cooling
Tower) Menara pendingin aliran angin alami pada mulanya berkembang di Eropa. Beberapa unit pertama dibangun di Belanda pada awal abad ke-19 yang terbuat dari kayu dan akhirnya dibuat dari beton bertulang seperti yang banyak digunakan sekarang ini. Pada awalnya unit ini berbentuk silinder dan akhirnya berbentuk hiperbola yang umum dipakai dewasa ini. Alat ini digunakan secara luas terutama di negara Inggris dan Amerika, unit pertama dibuat tahun 1972. Menara pendingin aliran angin alami tidak menggunakan kipas (fan). Aliran udaranya bergantung semata-mata pada tekanan dorong alami. Pada menara pendingin alami ini tidak ada bagian yang bergerak, udara mengalir ke atas akibat adanya perbedaan massa jenis antara udara atmosfer dengan udara kalor lembab di dalam menara pendingin yang bersuhu lebih tinggi daripada udara atmosfer di sekitarnya. Karena perbedaan massa jenis ini maka timbul tekanan dorong yang mendorong udara ke atas. Biasanya menara pendingin tipe ini mempunyai tinggi yang besar dan dapat mencapai ketinggian puluhan meter. Menara pendingin aliran angin alami dapat dibagi menjadi dua jenis,yaitu: a. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah
Gambar 2.7. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah
13
b. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang
Gambar 2.8. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang Dari kedua jenis menara pendingin ini, menara pendingin aliran angin alami aliran silang kurang disukai karena lebih sedikit memberi tahanan terhadap aliran udara di dalam menara, sehingga kecepatan udaranya lebih tinggi dan mekanisme perpindahan kalornya kurang efisien. Menara aliran angin alami aliran lawan arah lebih sering digunakan karena mempunyai keunggulan-keunggulan sebagai berikut: 1. Memiliki konstuksi yang kuat dan kokoh sehingga lebih tahan terhadap tekanan angin 2. Mampu beroperasi di daerah dingin maupun lembab 3. Dapat digunakan untuk instalasi skala besar.
2. Menara Pendingin Aliran Angin Mekanik (Mechanical-Draft Cooling Tower) Pada menara pendingin aliran angin mekanik, udara mengalir karena adanya satu atau beberapa kipas (fan) yang digerakkan secara mekanik. Fungsi kipas di sini adalah untuk mendorong udara (forced-draft) atau menarik udara melalui menara (induced-draft) yang dipasang pada bagian bawah atau atas menara.
14
Berdasarkan fungsi kipas yang digunakan menara pendingin aliran angin mekanik dapat dibagi menjadi 2 jenis yaitu: a. Tipe aliran angin dorong (forced-draft) b. Tipe aliran angin tarik (induced draft) Pada tipe aliran angin dorong (forced-draft), kipas yang dipasang pada bagian bawah, mendorong udara melalui menara. Jenis ini secara teoritis lebih disukai karena kipas beroperasi dengan udara yang lebih dingin, sehingga konsumsi daya menjadi lebih kecil. Akan tetapi, berdasarkan pengalaman jenis ini memiliki masalah-masalah yang berkaitan dengan distribusi udara, kebocoran dan resirkulasi udara kalor dan lembab kembali ke menara, serta masalah pembekuan pada masukan kipas ketika musim dingin. Mengingat banyaknya permasalahan di atas maka pada saat ini menara pendingin aliran angin mekanik yang sering digunakan pada instalasi adalah tipe aliran angin tarik (induced draft). Pada menara pendingin aliran tarik, udara masuk dari sisi menara melalui bukaan-bukaan yang cukup besar pada kecepatan rendah dan bergerak melalui bahan pengisi (filling material). Kipas dipasang pada puncak menara dan membuang udara kalor dan lembab ke atmosfer. Aliran udara masuk menara pada dasarnya horizontal, tetapi aliran di dalam bahan pengisi (filling material) ada yang horizontal seperti yang terdapat pada menara pendingin aliran silang (cross flow) dan ada pula yang vertikal seperti menara pendingin aliran lawan arah (counter flow). Aliran lawan arah lebih sering dipakai dan dipilih karena efisiensi termalnya lebih baik daripada aliran silang. Keunggulan menara pendingin aliran angin mekanik adalah: 1. Terjaminnya jumlah aliran udara dalam jumlah yang diperlukan pada segala kondisi beban dan cuaca. 2. Biaya investasi dan konstruksinya lebih rendah 3. Ukuran dimensinya lebih kecil. Kelemahan menara pendingin aliran angin mekanik adalah: 1. Kebutuhan daya yang besar 2. Biaya operasi dan pemeliharaan yang besar 3. Bunyinya lebih ribut.
15
Gambar 2.9. Menara pendingin aliran angin mekanik
Gambar 2.10. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan.
16
Gambar 2.11. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang.
3. Menara Pendingin Aliran Angin Gabungan (Combined Draft Cooling Tower) Menara pendingin aliran angin alami biasanya mempunyai ukuran yang besar dan membutuhkan lahan yang luas, tetapi dengan konsumsi daya dan biaya operasi yang kecil. Sebaliknya menara pendingin aliran angin mekanik ukurannya lebih kecil, namun membutuhkan daya yang besar. Oleh sebab itu, kedua hal tersebut digabungkan di dalam menara pendingin aliran angin gabungan (combined draft cooling tower). Menara ini disebut juga menara pendingin hiperbola berkipas (fan assisted hyperbolic tower) atau hibrida (hybrid tower). Menara hibrida terdiri dari cangkang beton, tetapi ukurannya lebih kecil dimana diameternya sekitar dua pertiga diameter menara aliran angin mekanik. Di samping itu, terdapat sejumlah kipas listrik yang berfungsi untuk mendorong angin. Menara ini dapat dioperasikan pada musim dingin tanpa menggunakan kipas, sehingga lebih hemat listrik.
17
Gambar 2.12. Menara pendingin aliran angin gabungan
2.5.2. Menara Pendingin Kering (Dry Cooling Tower) Menara pendingin kering (dry cooling tower) adalah menara pendingin yang air sirkulasinya dialirkan di dalam tabung-tabung bersirip yang dialiri udara. Semua kalor yang dikeluarkan dari air sirkulasi diubah. Menara pendingin kering dirancang untuk dioperasikan dalam ruang tertutup. Menara pendingin jenis ini banyak mendapat perhatian akhir-akhir ini karena keunggulannya yaitu: 1. Tidak memerlukan pembersihan berkala sesering menara pendingin basah. 2. Tidak memerlukan zat kimia aditif yang banyak 3. Memenuhi syarat peraturan pengelolaan lingkungan mengenai pencemaran termal dan pencemaran udara pada lingkungan. Meskipun begitu, menara pendingin kering mempunyai beberapa kelemahan, yaitu efisiensinya lebih rendah, sehingga mempengaruhi efisiensi siklus keseluruhan. Ada dua jenis menara pendingin kering, yaitu: 1. Menara pendingin kering langsung (direct dry-cooling tower) Menara pendingin kering jenis langsung merupakan gabungan antara kondensor dan menara pendingin. Uap buangan turbin dimasukkan ke kotak uap melalui talang-talang besar supaya jatuh pada tekanan yang tidak terlalu besar dan dapat terkondensasi pada waktu mengalir ke bawah melalui sejumlah besar tabung
18
atau kumparan bersirip. Tabung ini didinginkan dengan udara atmosfer yang mengalir di dalam atmosfer. Kondensat mengalir karena gaya gravitasi ke penampung kondensat dan dipompakan lagi ke sistem air umpan instalasi dengan bantuan pompa kondensat. Terdapat pula sistem untuk menyingkirkan gas dan mencegah pembekuan pada cuaca dingin. Beberapa kelemahan dari menara pendingin jenis ini adalah: 1. Hanya dapat beroperasi dengan volume besar. 2. Memerlukan talang-talang ukuran besar.
Gambar 2.13. Menara pendingin kering langsung
2. Menara pendingin kering tak langsung (indirect dry-cooling tower) Menara pendingin jenis tak langsung dapat dibagi menjadi dua jenis lagi, yaitu: a. Menara pendingin kering tak langsung dengan menggunakan kondensor permukaan kovensional. Air sirkulasi yang keluar dari kondensor masuk melalui tabung bersirip dan didinginkan oleh udara atmosfer di dalam menara. Menara ini boleh menggunakan jujut jenis alami seperti pada gambar. Operasi kondensor pada jenis ini harus dilakukan pada tekanan 0,17 sampai 0,27 kPa. Pada jenis ini, digunakan kondensor terbuka atau kondensor jet. Kondensat jatuh ke dasar kondensor dan
19
dari situ dipompakan oleh pompa resirkulasi ke kumparan bersirip di menara, yang kemudian didinginkan dan dikembalikan ke kondensor.
Gambar 2.14. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan kondensor permukaan konvensional
b. Menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase. Menara pendingin ini tidak menggunakan air pendingin, tetapi menggunakan suatu bahan pendingin, seperti dengan menggunakan amoniak sebagai bahan perpindahan kalor antara uap dan air, sehingga perpindahan kalor dapat terjadi dengan perubahan fasa, yaitu pendidihan di dalam tabung kondensor dan kondensasi di dalam tabung menara. Amoniak cair yang hampir jenuh masuk kondensor permukaan dan diuapkan menjadi uap jenuh dan uap jenuh tersebut dipompakan lagi ke kondensor. Pendidihan dan kondensasi ini mempunyai koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada sisi tabung, sehingga menghasilkan beda suhu yang lebih rendah antara uap dan amoniak dan antara amoniak dan udara.
20
Gambar 2.15. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase
2.5.3. Menara Pendingin Basah-Kering (Wet-Dry Cooling Tower) Menara pendingin basah-kering (wet-dry cooling tower) merupakan gabungan antara menara pendingin basah dan menara pendingin kering. Menara pendingin ini mempunyai dua jalur udara paralel dan dua jalur udara seri. Bagian atas menara di bawah kipas adalah bagian kering yang berisi tabung-tabung bersirip. Bagian bawah adalah ruang yang lebar yang merupakan bagian yang basah yang terdiri dari bahan pengisi (filling material). Air sirkulasi yang panas masuk melalui kepala yang terletak di tengah. Air mula-mula mengalir naik-turun melalui tabung bersirip di bagian kering, kemudian meninggalkan bagian kering dan jatuh ke isian di bagian basah menuju bak penampung air dingin. Sedangkan udara ditarik dalam dua arus melalui bagian kering dan basah. Kedua arus menyatu dan bercampur di dalam menara sebelum keluar.
21
Oleh karena arus pertama dipanaskan secara kering dan keluar dalam keadaan yang kering (kelembaban relatif rendah) daripada udara sekitar, sedangkan arus kedua biasanya jenuh. Menara pendingin basah-kering mempunyai keunggulan: 1. Udara keluar tidak jenuh sehingga mempunyai kepulan yang lebih sedikit 2. Karena airnya mengalami pendinginan awal di bagian kering, penyusutan karena penguapan jauh berkurang, demikian juga dengan kebutuhan air tambahan.
Gambar 2.16. Menara pendingin basah-kering
2.6. Kinerja Menara Pendingin Kinerja menara pendingin dievaluasi untuk mengkaji tingkat approach dan range operasi terhadap nilai rancangan, mengidentifikasi area terjadinya pemborosan energi, dan juga untuk mendapatkan saran perbaikan. Sebagai evaluasi kinerja, pemantauan dilaksanakan untuk mengukur parameter-parameter signifikan berikut ini: 1. Temperatur udara wet bulb 2. Temperatur udara dry bulb
22
3. Temperatur air masuk menara pendingin 4. Temperatur air keluar menara pendingin 5. Temperatur udara keluar 6. Laju aliran air 7. Laju aliran udara.
Parameter terukur tersebut kemudian digunakan untuk menentukan kinerja menara pendingin dalam beberapa cara, yaitu:
a. Range Range merupakan perbedaan antara temperatur air masuk dan keluar menara pendingin. Range yang tinggi berarti bahwa menara pendingin telah mampu menurunkan temperatur air secara efektif dan kinerjanya baik. Rumusnya adalah sebagai berikut.
Range (°C) = temperatur air masuk (°C) – temperatur air keluar (°C)
Range bukan ditentukan oleh menara pendingin, namun oleh proses yang dilayaninya. Range pada suatu alat penukar kalor ditentukan seluruhnya oleh beban panas dan laju sirkulasi air yang melalui penukar panas dan menuju ke air pendingin. Menara pendingin biasanya dikhususkan untuk mendinginkan laju aliran tertentu dari satu temperatur ke temperatur lainnya pada temperatur wet bulb tertentu. b. Approach Approach adalah perbedaan antara temperatur air dingin keluar menara pendingin dan temperatur wet bulb ambien. Semakin rendah approach semakin baik kinerja menara pendingin. Walaupun range dan approach harus dipantau, akan tetapi, approach merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja menara pendingin.
Approach (°C) = temperatur air keluar (°C) – temperatur wet bulb (°C)
23
Sebagaimana aturan yang umum, semakin dekat approach terhadap wet bulb, akan semakin mahal menara pendinginnya karena meningkatnya ukuran. Ketika ukuran menara harus dipilih, maka approach menjadi sangat penting, yang kemudian diikuti oleh debit air dan udara, sehingga range dan wet bulb mungkin akan menjadi semakin tidak signifikan.
c. Efektivitas pendinginan Efektivitas pendinginan merupakan perbandingan antara range dan range ideal. Semakin tinggi perbandingan ini, maka semakin tinggi efektivitas pendinginan suatu menara pendingin. temperatur air masuk - temperatur air keluar temperatur air masuk - temperatur wet bulb
Efektivitas pendinginan (%) = 100 %
d. Debit air spesifik Sesuai dengan ukuran luas penampang menara pendingin dan debit air, maka dapat dihitung debit air spesifik dengan rumus sebagai berikut.
m sp.
m Atower ………..…………………………..(2.1)
dimana: m sp. = debit air spesifik (ℓ/min/m 2) m = debit air (ℓ/menit)
Atower = luas penampang menara pendingin (m2).
e. Kapasitas pendinginan (cooling load) Kapasitas pendinginan suatu menara pendingin adalah setara dengan kemampuan menara pendingin tersebut dalam membuang panas ke lingkungan. Kapasitas pendinginan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
Q m c p T ………..…………………………..(2.2) Sedangkan kapasitas pendinginan spesifik persatuan luas penampang menara pendingin dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
24
QSp. dimana:
Q
Q Atower
…………………………………………..(2.3)
m
= kapasitas pendinginan (kW) = debit air (kg/s)
Cp
= kalor jenis air (KJ/kg°C)
∆T
= perbedaan suhu air masuk dan suhu air keluar (°C)
Atower = luas penampang menara pendingin (m2)
f. Laju penguapan air ke udara Salah satu parameter kinerja menara pendingin yang penting adalah laju penguapan air ke udara. Proses penguapan inilah yang menjadi prinsip dasar suatu menara pendingin dalam mendinginkan air kondensor. Adapun rumus untuk menghitung laju penguapan air ke udara pada suatu menara pendingin adalah sebagai berikut. Laju penguapan air (ℓ/menit) =(
-
)×
×60………………………..(2.4)
dimana: (ωH2 - ωH1) = selisih antara rasio kelembaban udara keluar dan masuk menara pendingin (kg uap air / kg udara) .
V =
ρ
debit aliran udara (m³/s)
= densitas air = 0,99285 kg/ℓ
v1 = volum spesifik udara ambien (m3/kg).
g. Rasio air dengan udara Nilai rasio air-udara adalah parameter yang sangat penting dalam pemilihan suatu menara pendingin, terutama dalam pemilihan kapasitas fan. Rasio ini merupakan perbandingan antara debit air spesifik yang hendak didinginkan terhadap debit udara spesifik yang diinduksikan oleh fan minimum.
Rasio air udara
debit air spesifik / menit / m 2 ………………..(2.5) debit udara spesifik / menit / m 2
25
h. Kesetimbangan energi Dengan asumsi adiabatis untuk operasi suatu menara pendingin, maka akan berlaku persamaan kesetimbangan energi antara energi yang masuk dan keluar dari suatu menara pendingin. air panas masuk
ωωA hfA ha2 ωH2 hv2
ha1 ωH1 hv1
Air dingin keluar
ωωB hfB Gambar 2.17. Diagram menara pendingin.
Adapun persamaan kesetimbangan energi yang dimaksud adalah sebagai berikut:
ha 1 H 1 hv1 A h fA ha 2 H 2 hv 2 B h fB …………..(2.6) dimana: ha
= entalpi udara kering (kJ/kg)
ωH = rasio kelembaban udara (kg uap air / kg udara) hv
= entalpi uap air di udara (kJ/kg)
ωω = rasio cair-gas udara (kg air / kg udara kering) hf
= entalpi air (kJ/kg)
ha + ωH hv = entalpi campuran udara-uap air (kJ/kg).
26
BAB III METODOLOGI PENELITAN
3.1. Perencanaan Awal Penelitian 3.1.1. Pemilihan Jenis Menara Pendingin Jenis menara pendingin yang digunakan pada penelitian ini adalah menara pendingin tipe aliran angin tarik (induced-draft cooling tower). Jenis menara pendingin ini umum digunakan karena memiliki beberapa keunggulan, yaitu: 1. Pasokan aliran udara yang terjamin dalam jumlah yang diperlukan 2. Pengoperasian yang dimungkinkan untuk segala jenis beban dan cuaca 3. Profil fisik yang sederhana dan kemudahan penempatan instalasi.
3.1.2. Penempatan Menara Pendingin Penempatan menara pendingin direncanakan di lantai atap gedung Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin USU, Medan. Hal ini dilakukan dengan pertimbangan bahwa kinerja menara pendingin sangat bergantung pada kondisi lingkungan dan uap panas yang keluar dari menara pendingin dapat merusak dinding gedung apabila menara pendingin ditempatkan di dalam gedung. Koordinat posisi penempatan menara pendingin yaitu berada pada 1° - 4° Lintang Utara dan 98° - 100° Bujur Timur, 3°33'43.07" Lintang Utara dan 98°39'23.61" Bujur Timur. Instalasi menara pendingin ini harus diletakkan diatas permukaan yang datar. Oleh karena itu, terlebih dahulu dibuat cor semen berukuran 1 m2 sebagai tempat berdirinya menara pendingin.
3.2. Perencanaan Instalasi Menara Pendingin Adapun urutan dari perencanaan instalasi menara pendingin ini adalah sebagai berikut. 1. Penentuan kapasitas aliran udara fan 2. Penentuan cooling range menara pendingin 3. Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin 4. Perancangan alat penukar kalor sebagai penyedia air panas
27
5. Perancangan konstruksi menara pendingin 6. Pemilihan sprinkler 7. Perencanaan instalasi menara pendingin 8. Perencanaan bahan pengisi (filling material) 3.2.1. Penentuan kapasitas aliran udara fan Fan yang digunakan untuk penelitian menara pendingin ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut. Merk
: Richardson
Daya Motor
: 1500 W
Voltase
: 380 / 3 / 50 V
Putaran
: 2865 rpm
Diameter fan : 15 inci (0.381 m)
Gambar 3.1. Fan Kapasitas aliran udara maksimum fan ditentukan berdasarkan hasil pengukuran kecepatan aliran udara dengan anemometer. Kecepatan aliran udara hasil pengukuran anemometer adalah 14,4 m/s, sehingga perhitungan kapasitas aliran udara maksimum fan adalah sebagai berikut. .
V max A.v
1 .D 2 .v ………………………..……….(3.1) 4
28
1 .( 0 ,381 ) 2 .(14 , 4 ) 4 3 1,64 m 3475 cfm ( ft 3 min ) s
3.2.2. Penentuan cooling range menara pendingin Pada penelitian menara pendingin ini, air panas kondensor disimulasikan dengan water heater. Menurut Richard J. DesJardins (CTI Journal, Vol. 28), pengujian kinerja filling material untuk menara pendingin kebanyakan dilakukan produsen pada temperatur air panas sebesar 33°C. Maka, menara pendingin ini direncanakan untuk dapat mendinginkan air panas dengan temperatur 33°C menjadi temperatur normal air sejuk sekitar 28°C. Sehingga, cooling range maksimum yang direncanakan untuk penelitian menara pendingin ini adalah selisih antara 28°C dan 33°C atau sebesar 5°C.
3.2.3. Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin Debit air untuk menara pendingin ini disesuaikan dengan debit maksimum pompa air sentrifugal dengan spesifikasi sebagai berikut: Merk
: Shimizu
Model
: PS-128 BIT
Daya Motor
: 125 W
Voltase
: 220-240 V
Putaran
: 2850 rpm
Total head
: Max. 33 meter
Debit air
: 25 min
Gambar 3.2. Pompa Air
29
3.2.4. Perancangan alat penukar kalor sebagai penyedia air panas Sesuai dengan harga cooling range yang telah ditentukan sebelumnya untuk menara pendingin ini yaitu sebesar 5°C, maka direncanakan alat penukar kalor dengan menggunakan pipa tembaga. Adapun perhitungannya dengan menggunakan rumus perpindahan panas adalah sebagai berikut.
Q m c p T
…………………………..……..(3.2)
Dimana : m
= debit air = 25 ℓ/min ≈ 0,42 Kg/s
ΔT
= 330 C – 280C = 50 C = 30,50 C
T(rata-rata) =
Sifat-sifat air pada suhu 30,50 C adalah ρ
= 995,18 kg/m3
k = 0,62 W/m 0C μ = 7,94 x 10-4 kg/ms Cp = 4,1755 kJ/kg 0C Pr = 5,346 Sehingga Q = (0,42 Kg/s) (4,1755 kJ/kg 0C)( 50 C) = 8768,55 J/s Kemudian dihitung Angka Reynolds dengan persamaan berikut. Re =
………………………………………..(3.3)
Dimana : ρ = 995,18 kg/m3 μ = 7,94 x 10-4 kg/ms d = diameter pipa tembaga sebesar 0,005 m v = kecepatan air di dalam pipa tembaga, diperoleh dari 3
0,42 m m s vtotal kg A 995,18 1,96 10 5 m3
= 21,53 m/s
30
Kemudian kecepatan air total tersebut dibagi empat menggunakan header, sehingga harganya menjadi 5,38 m/s untuk masing-masing pipa tembaga. Maka:
995,18 kg
5,38 m 0,005m s 7,94 10 4 kg ms
Re =
m3
= 33715,79 Dari bilangan Reynolds di atas maka aliran dalam pipa adalah turbulen, maka persamaan yang digunakan adalah Nu = 0,023 Re0,8 Pr 0,4…...…………………………………………..(3.4) = 0,023 x (33715,79)0,8 x (5,346)0,4 = 188,45 hi
= Nu
…………………………………………………………..(3.5) C m 0,005m
0.62 W
= 188,45
= 23367,8 W/m2 0C Media yang digunakan untuk memanaskan air adalah uap yang dihasilkan dari steam generator dengan tekanan 2 Kg/cm2 pada temperatur 119,56 ° C, sehingga sifat-sifat film air adalah
T (rata-rata) =
119,56 33 = 76,28 0C 2
ρ = 974,12 kg/m3 k = 0,668 W/m 0C μ = 3,68 x 10-4 kg/ms hfg = 2318,73 kj/kg Koefisien konveksi untuk kondensasi di luar pipa adalah ho = 0,725 [
]1/4……………………….………………..(3.6)
Dimana : g = gravitasi 9,8 m/s2 d = diameter luar pipa 0,00635 m
31
Tg = temperatur uap 119,56°C Tw = temperatur air panas 33°C ho
974,12 2 9,8 2,3187 10 6 0,6683 = 0,725 4 3,68 10 0,00635 119,56 33
1/ 4
= 9679,65 W/m2 0C
Tahanan termal di bagian dalam per satuan panjang pipa adalah Ri = =
……………………………………………………..……..(3.7)
1 23367,8W
m 2 C
0.005m
= 2,73 x 10-3 mºC/W Tahanan termal luar per satuan panjang adalah Ro =
…………………………………………………………..(3.8)
= = 5,17 x 10-3 mºC/W Tahanan termal pipa untuk setiap satuan panjang pipa Rs =
Dimana k = konduktivitas termal tembaga……..(3.9) ( 380,9 W/m 0C)
0,00635 ln 0,005 = 2 380,9
= 9,99 x 10-5 mºC/W Koefisien perpindahan kalor menyeluruh yang didasarkan atas permukaan luar dinyatakan dengan tahanan-tahanan tersebut sebagai berikut. Uo =
=
……………………………...….…………..(3.10)
1 0,00635 2,73 10 3 0,00635 9,99 10 5 5,17 10 3 0,005
= 115,753 W/m2 0C /m panjang
32
Dengan Ao = 0,02 m2 per meter panjang Maka U =
115,753 0,02
=
= 5787,65 W/m2 0C Untuk mencari panjang masing-masing pipa tembaga digunakan persamaan. Q = U A ΔTm……………………..…………..(3.11) Pada perancangan ini, uap yang digunakan untuk memanaskan air berada pada suhu yang tetap, sehingga faktor koreksi (F) adalah 1 (untuk kondensasi atau penguapan).
Gambar 3.3. Diagram temperatur alat penukar kalor Sehingga
Th2 Tc2 Th1 Tc1 ………………...………..(3.12) lnTh2 Tc 2 Th1 Tc1
ΔTm
=
ΔTm
119,56 33 119,56 28 0C = 119,56 33 ln 119,56 28 = 89,04 0C
Jadi Q = 8768,55 J/s
=
U A ΔTm (5787,65 W/m2 0C) (A) (89,04 0C)
33
=
8768,55 5787,6589,04
=
0,0171 m2
A
=
πdL
2
=
π (0,00635m) L
L
=
0,0171 0,00635
=
0,853 m = 85,3 cm
A
0,0171 m
Untuk menghindari kerugian-kerugian yang terjadi, maka diambil panjang masing-masing pipa tembaga adalah 1 meter, dengan jumlah pipa sebanyak empat buah. Selanjutnya pipa tembaga tersebut dibentuk dengan proses pengelasan seperti gambar berikut.
Gambar 3.4. Pipa tembaga yang siap digunakan Sebagai cangkang untuk pipa tembaga tersebut digunakan pipa uap berdiameter 6 inci dengan tebal dinding pipa 10 mm, tujuannya agar mampu menahan tekanan dan temperatur yang tinggi dari uap hasil steam generator. Kemudian salah satu sisi pipa dipasang flens dan sisi yang lain ditutup dengan proses pengelasan. Lalu dipasang katup untuk membuang air kondensat. Untuk mengurangi terjadinya kehilangan panas maka dinding cangkang diisolasi menggunakan asbes. Seperti pada gambar di bawah ini.
34
A. Sebelum diisolasi
B. Sesudah diisolasi
Gambar 3.5. Alat penukar kalor
Gambar 3.6. Alat penukar kalor dan Steam Generator yang selesai dirakit
3.2.5. Perancangan konstruksi menara pendingin 1. Rangka Konstruksi menara pendingin ini dirancang menurut konstruksi menara pendingin aliran angin mekanik. Menurut ASHRAE (2008), batasan tipikal kecepatan udara dalam menara counterflow adalah sekitar 1,5 hingga 3,6 m/s.
35
Untuk perencanaan ini, kecepatan udara didalam menara ditentukan sebesar 2,5 m/s. .
.
Qtower Q fan Atower.vtower Afan.v fan ( Dtower ) 2 .(2,5 m s) (0,381m) 2 .(14,4 m s) (0,381m) 2 .(14,4 m s) Dtower 2,5 m s
…………..(3.13)
Dtower 0,9144m Diambil diameter menara pendingin sebesar 90 cm. Tinggi menara pendingin ditentukan dengan mempertimbangkan dimensi berbagai komponen yang lain, seperti sprinkler, instalasi pemipaan, bahan pengisi (filling material), dan lain-lain. Rangka pendukung menara ini harus dapat mendukung menara pendingin agar dapat berdiri kokoh dan tegak. Oleh karena itu, bahan untuk rangka menara dipilih jenis baja tempa dengan profil lingkaran berdiameter 0,5 inci.
Gambar 3.7. Rangka Menara Pendingin
36
Gambar 3.8. Dimensi Menara Pendingin 2. Casing Material casing yang dipilih adalah pelat seng dengan ketebalan 0,25 mm. Alasan pemilihan pelat seng sebagai material casing adalah memiliki ketahanan yang baik terhadap segala cuaca dan biayanya yang lebih ekonomis. 3. Wadah Air Dingin (Water Basin) Wadah air dingin dibuat dari material seng yang dipatri agar dapat menampung air untuk menara pendingin. Tinggi wadah air ini ditentukan sebesar 0,25 m, diameter atas (D) 0,9 m, dan diameter bawah (d) 0,75 m. Sehingga volume air maksimumnya adalah
volume 1 r 2 rR R 2 h ………...……..……...………..(3.14) 3
37
1 0,375 2 0,3750,45 0,45 2 0,25 3 0,134 m 3 134 liter
Gambar 3.9. Water Basin 3.2.6. Pemilihan sprinkler Sprinkler yang digunakan pada menara pendingin ini dipilih dengan mempertimbangkan aspek fungsional dan ekonomisnya secara seksama. Adapun hasil pemilihan yang dipasang pada menara pendingin adalah sprinkler jenis whipper dengan spesifikasi sebagai berikut: Merk
: Krisbow
No. seri
: KW20-117
Tipe spray
: Melingkar
Gambar 3.10. Sprinkler
38
3.2.7. Perencanaan instalasi menara pendingin Perencanaan instalasi menara pendingin ini mencakup perencanaan sistem perpipaan dan penempatan beberapa instrumen pengukuran untuk mendukung maksud dan tujuan dari penelitian ini. Skema instalasi menara pendingin tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 3.11. Skema instalasi menara pendingin
Keterangan
:
1. Fan 2. Sprinkler
8. Pompa air cooling tower
3. Casing
9. Alat penukar kalor
4. Filler
10. Steam Generator
5. Air Intake Mesh
11. Wadah air
6. Water Basin
12. Pompa air steam
7. Flow meter
generator
39
Sistem pemipaan pada menara pendingin diawali dari water basin. Pada water basin dihubungkan pipa menuju meteran air (flowmeter). Selanjutnya pipa dihubungkan ke pompa dan dihubungkan dengan katup yang berfungsi untuk menentukan debit air. Setelah itu, pipa dihubungkan ke pipa tembaga (tube) pada alat penukar kalor, kemudian dihubungkan lagi hingga pipa masuk ke dalam menara pendingin. Terakhir, pipa dihubungkan ke sprinkler.
Gambar 3.12. Menara pendingin yang telah selesai dirakit
3.2.8. Perencanaan bahan pengisi (filling material) Jenis bahan pengisi yang digunakan untuk penelitian ini adalah potongan potongan pipa PVC Ø1 inci dengan panjang potongan masing-masing 5 cm. Potongan pipa tersebut disebarkan atau ditumpukkan secara acak dalam menara pendingin dengan asumsi ketinggian rata-rata untuk satu lapis tumpukan adalah 4 cm. Untuk mendapatkan tujuan dari penelitian ini, kinerja menara pendingin diuji dengan beberapa variasi lapisan (tumpukan).
40
Gambar 3.13. Filling material
3.3. Alat Ukur yang Digunakan Alat ukur yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Flow meter Flow meter digunakan untuk mengukur debit air yang bersirkulasi di dalam menara pendingin (seperti terlihat pada Gambar 3.14). Posisi flow meter telah dijelaskan pada instalasi menara pendingin. Spesifikasi Flow meter yang digunakan adalah sebagai berikut. Merk
: Tokico
Water temperature
: ≤ 40 °C
Water pressure
: ≤ 1.0 Mpa
Max. Flow
: 3 m3/h (30000 ℓ/h)
Min. Flow
: 30 ℓ/h
Min. Reading
: 0.001 m3
Max. Reading
: 99999 m3
Ukuran
: 15 mm
41
Gambar 3.14. Flowmeter
2. Anemometer Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara fan pada menara pendingin (seperti terlihat pada Gambar 3.15). Spesifikasi Anemometer yang digunakan adalah sebagai berikut. Nama
: Digital Anemometer
Specifications range : 0.2 m/s ~ 20.0 m/s 0.7 km/h ~ 72.0 km/h 40 ft/min ~ 3940 ft/min 0.5 MPH ~ 44.7 MPH 0.4 knots ~ 31.1 knots Temperature range
: 32 oF ~ 122 oF (0 oC ~ 50 oC)
Accuracy
: 0.1 m/s 0.1 km/h 1 ft/min 0.1 MPH 0.1 knots 0.1 oF/ oC
Ukuran
: 175 mm x 86 mm x 47 mm
42
Gambar 3.15. Anemometer
3. Thermometer Thermometer digunakan untuk mengukur temperatur air yang masuk dan keluar dari menara pendingin (seperti terlihat pada Gambar 3.16). Termometer yang digunakan pada menara pendingin ini berjumlah tiga buah. Satu buah disambungkan ke dalam pipa bagian atas sebelum masuk ke dalam menara pendingin, sedangkan yang lainnya ditempatkan tepat di bawah filling material dengan cara digantung. Spesifikasi Thermometer yang digunakan adalah sebagai berikut. Nama
: Termometer air raksa
Titik beku air raksa
: -38.83 °C
Max. temperature
: 100 °C
Min. temperature
: 0 °C
Akurasi
: 1 °C
Ukuran
: Panjang 300 mm Tebal 7 mm
43
Gambar 3.16. Thermometer
4. Thermohygrometer Termohigrometer digunakan untuk mengukur kelembaban dan suhu udara yang masuk dan keluar menara pendingin serta kondisi udara di lingkungan sekitar menara pendingin. (seperti terlihat pada Gambar 3.17). Spesifikasi Thermohygrometer yang digunakan adalah sebagai berikut. Merk
: Velocy Calc
a. Temperatur Range
: 0 to 200° F ( -17,8 to 93,3° C)
Accuracy : ± 0,5° F ( ± 0,3° C) Resolution : 0,1° F ( 0,1° C) b. Humidity Range
: 5 to 95% RH
Accuracy : ± 3% RH Resolution : 0,1% RH Ukuran
: 3,3 in x 7,0 in x 1,8 in ( 84 mm x 178 mm x 44 mm)
44
Gambar 3.17. Thermohygrometer
3.4. Pelaksanaan Penelitian Adapun tahapan dalam penelitian adalah sebagai berikut: 1. Tahap persiapan Bahan pengisi (filling material) potongan pipa PVC Ø 1 inci disebarkan secara acak didalam menara pendingin dan mengisi air pada water basin hingga penuh.
Menyiapkan
thermohygrometer,
alat-alat
anemometer
ukur dan
yang
telah
thermometer.
dikalibrasi Sebelum
seperti
melakukan
pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pengukuran kelembaban relatif dan suhu udara sekitar, lalu mengukur suhu air pada water basin. 2. Tahap pengambilan data Menghidupkan steam generator dan menunggu sampai tekanan uap yang telah ditentukan tercapai . Kemudian menghidupkan fan dan pompa. Terlebih dahulu diatur kecepatan aliran udara minimal fan yang mampu mendinginkan air dengan mengecilkan diameter lubang fan. Setelah air dingin mengalir ke dalam alat penukar kalor, katup uap keluar dari steam generator dibuka sehingga proses pemanasan air berlangsung. Selanjutnya mengatur suhu air masuk menara pendingin mencapai konstan 33oC dan suhu air hasil pendinginan mencapai 28oC. Pengukuran suhu air dilakukan dengan menggunakan thermometer. Kemudian dilakukan pengukuran suhu udara dan kelembaban relatif (RH) keluar dari fan
45
dengan
menggunakan
thermohygrometer.
Sewaktu
proses
pengukuran
berlangsung, sensor thermohygrometer harus ditutupi dengan menggunakan payung agar efek sinar matahari tidak mempengaruhi nilai pengukuran.
Gambar 3.18. Pengukuran suhu udara dan kelembaban relatif (RH)
Selanjutnya mengukur debit air dengan flowmeter dan menggunakan stopwatch untuk mengukur waktunya. Setelah itu, penelitian dilakukan kembali dengan menambah ketinggian filling material. Prosesnya sama seperti sebelumnya. Setelah diperoleh ketinggian filling material yang optimal lalu dilakukan penelitian untuk mencari kapasitas air maksimum dengan menambah debir air menara pendingin. Proses pengukuran suhu udara dan kelembaban relatif sama seperti sebelumnya. Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis, seperti ditunjukkan pada gambar 3.19.
46
START
Perencanaan awal dan menetapkan tujuan penelitian (1 Minggu) Study Literature (1 Bulan) Perakitan alat dan instalasi (6 Bulan) PERSIAPAN - Setting dan kalibrasi alat ukur - Menyiapkan filling material - Mengatur diameter lubang fan (1 Bulan) PENGAMBILAN DATA - Kondisi udara lingkungan - Suhu udara keluar (oC) - Kelembaban relatif RH (%) - Ketinggian tumpukan filler (cm) - Kecepatan aliran udara fan (m/s) - Debit air maksimum (ℓ/min) - Suhu air pada water basin (oC) (1 Bulan)
ANALISA DATA (2 Minggu)
PENYUSUNAN SKRIPSI (1 Bulan)
SELESAI Gambar 3.19. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian
47
3.5. Perumusan Hasil Penelitian Data yang diperoleh dalam penelitian diterapkan ke persamaan-persamaan seperti yang tercantum dalam tinjauan pustaka. Hasil tersebut kemudian ditabulasikan dan diplot dalam bentuk grafik. Pembahasan lebih lanjut ditunjukkan pada pembahasan hasil penelitian.
48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian Penelitian untuk menguji kinerja Induced draft Cooling Tower ini dilakukan dengan memvariasikan ketinggian tumpukan filling material (bahan pengisi) sampai diperoleh ketinggian tumpukan yang optimal dalam menurunkan temperatur air. Kemudian ketinggian tumpukan yang optimal tersebut selanjutnya digunakan untuk mencari kapasitas air maksimum yang mampu didinginkan. Dengan keterangan sebagai berikut 1. Temperatur air masuk 33 ºC 2. Temperatur air keluar 28 ºC 3. Range 5 ºC 4. Potongan pipa PVC Ø 1 inci dengan panjang 5 cm. 5. Diameter lubang fan 38,1 cm Penelitian dilaksanakan pada kondisi udara lingkungan sebagai berikut RHin = 71,5% – 64,2% Tdb.in = 31,6ºC – 32,7ºC Twb.in = 27,3 ºC – 26,8 ºC Hasil pengujian yang diperoleh secara keseluruhan ditunjukkan pada tabel berikut ini. Tabel 4.1. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi ketinggian filling material (Debit air masuk konstan 16,5 ℓ/min) Ketinggian filling material (cm) 4
RH outlet (%)
T wet bulb (°C)
85,3
T udara outlet (°C) 30,2
Debit aliran udara (m3/s)
28,1
T water basin (°C) 28
8
86,5
29,3
27,4
28
1,15
12
87,8
28,6
26,9
28
1,09
16
85,3
30,1
28,0
28,5
0,96
20
84,6
30,6
28,4
29
0,84
1,21
49
Dari hasil pengujian pada tabel di atas diperoleh ketinggian tumpukan filling material yang optimal yaitu pada lapis ketiga dengan ketinggian 12 cm yang memiliki kelembaban relatif (RH) udara keluar paling tinggi sebesar 87,8% dan suhu udara keluar paling rendah sebesar 28,6 °C. Hal ini disebabkan bahwa sampai pada ketinggian tumpukan tersebut semakin besar terjadinya proses evaporasi dimana sebagian air diuapkan ke udara yang bergerak lalu dibuang ke atmosfir. Sehingga meningkatkan persentase kadar kelembaban udara yang keluar. Sedangkan pada ketinggian tumpukan 16 dan 20 cm evaporasi menurun sehingga kelembaban relatif udara menjadi rendah dan suhu udara keluar kembali naik. Hal ini mengakibatkan suhu air hasil pendinginan pada water basin melebihi besar suhu yang telah ditentukan yaitu 28 °C. Selanjutnya diperoleh beberapa hubungan sebagai berikut.
Tabel 4.2. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin. Ketinggian filling material (cm)
RH outlet (%)
4
85,3
8
86,5
12
87,8
16
85,3
20
84,6
50
Gambar 4.1. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin
Tabel 4.3. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin Ketinggian filling material (cm)
T udara outlet (°C)
4
30,2
8
29,3
12
28,6
16
30,1
20
30,6
51
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin
Ketinggian filling material optimal yang diperoleh selanjutnya digunakan untuk mencari debit air panas maksimum yang mampu didinginkan menara pendingin. Untuk menaikkan debit air dilakukan dengan menambah pompa pada instalasi menara pendingin. Hal ini dilakukan karena pada kenyataan di lapangan debit maksimum pompa sebelumnya hanya mampu 16,5 liter/menit.
Penelitian dilaksanakan pada kondisi udara lingkungan sebagai berikut RHin = 67,5 % – 64,3 % Tdb.in = 31,2 ºC– 33,5 ºC Twb.in = 26,1ºC – 27,7 ºC Hasil pengujian yang diperoleh secara keseluruhan ditunjukkan pada tabel berikut ini.
52
Tabel 4.4. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi kenaikan debit air (ketinggian filling material 12 cm) Debit air (ℓ /min)
RH udara outlet (%)
T udara outlet (°C)
Twet bulb (°C)
T water basin (°C)
Debit aliran udara (m3/s)
16,5
87,8
28,6
26,9
28
1,09
17
87,4
28,9
27,1
28
1,05
17,5
86,9
29,1
27,2
28
1,01
18
86,5
29,3
27,4
28
0,93
18,5
87,3
28,9
27,3
29
0,90
19
87,6
28,5
26,8
29,5
0,84
Dari hasil penelitian diperoleh debit air maksimum yang optimum didinginkan menara pendingin yaitu 18 liter/menit dengan kelembaban relatif (RH) udara keluar menara pendingin 86,5% dan suhu udara keluar 29,3 °C. Sedangkan pada kenaikan debit air 18,5 dan 19 liter/menit suhu air pada water basin sudah melebihi 28 °C. Berikut ini beberapa hubungan dari data di atas.
Tabel 4.5. Hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin Debit air (ℓ/min)
T water basin (°C)
16,5
28
17
28
17,5
28
18
28
18,5
29
19
29,5
53
Gambar 4.3. Grafik hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin
Tabel 4.6. Hubungan antara debit air dengan RH udara keluar menara pendingin Debit air (ℓ/min)
RH udara outlet (%)
16,5
87,8
17
87,4
17,5
86,9
18
86,5
18,5
87,3
19
87,6
54
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara debit air terhadap RH udara keluar menara pendingin
Tabel 4.7. Hubungan antara debit air dengan suhu udara keluar menara pendingin Debit air (ℓ/min)
T udara outlet (°C)
16,5
28,6
17
28,9
17,5
29,1
18
29,3
18,5
28,9
19
28,5
55
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara debit air terhadap suhu udara keluar menara pendingin
4.2. Pembahasan Hasil Penelitian Dari data-data hasil penelitian yang telah diperoleh, maka dapat dilakukan berbagai analisa dan perhitungan untuk mendapatkan beberapa parameter kinerja menara pendingin sebagai berikut. 1. Approach Berdasarkan perbedaan antara temperatur air dingin keluar menara pendingin dan temperatur basah udara ambien. maka diperoleh approach untuk operasi menara pendingin ini antara 0,3 °C hingga 1,9 °C. 2. Efektifitas pendinginan
5 = 100 % × 5 1,1 = 81,96 %
56
3. Debit air spesifik Sesuai dengan luas penampang menara pendingin sebesar 0,12 m2, maka dapat dihitung debit air spesifik pada setiap kenaikan debit air dengan menggunakan persamaan (2.1) berikut ini.
m sp.
m Atower
Dengan memasukkan harga debit air pada tabel 4.4 maka harga debit air spesifik adalah
16,5 = 137,5 ℓ/min/m2 0,12 Untuk selanjutnya ditunjukkan pada tabel di bawah ini. sp =
Tabel 4.8. Hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik Debit air (ℓ/min)
Debit air spesifik (ℓ/min/m2)
16,5
137,5
17
141,6
17,5
145,8
18
150
18,5
154,1
19
158,3
Gambar 4.6. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik
57
4. Kapasitas pendinginan (cooling load) Kapasitas pendinginan
menara pendingin dapat dihitung dengan
persamaan (2.2) berikut ini.
Q m c p T Kemudian kapasitas pendinginan spesifik persatuan luas penampang menara pendingin dapat dihitung dengan persamaan (2.3)
QSp. dimana:
Q
m
Q Atower
= kapasitas pendinginan (kW) = debit air = 16,5 ℓ/min ≈ 0,275 Kg/s
∆T = 330 C – 280C = 50 C = 30,50 C
T(rata-rata) = Cp
= 4, 1755 kJ/kg 0C
Sehingga
Q
= (0,275 Kg/s) (4,1755 kJ/kg 0C)( 50 C)
QSp.
5,74131 0.12
= 47,844 kW/m2
= 5,74131 kW
Dengan cara perhitungan yang sama, harga kapasitas pendinginan pada setiap kenaikan debit air ditunjukkan pada tabel berikut ini. Tabel 4.9. Hubungan kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin Debit air (ℓ/min)
Q (kW)
Q sp (kW/m2)
16,5
5,74131
47,844
17
5,91529
49,294
17,5
6,08927
50,743
18
6,26325
52,193
18,5
5,14929
42,910
19
4,62707
38,558
58
Gambar 4.7. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin
5. Kebutuhan udara Kebutuhan udara menara pendingin adalah debit aliran udara actual persatuan luas penampang menara pendingin (Face velocity) yang ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel 4.10. Hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin Debit air (ℓ/min)
Face velocity (m/s)
16,5
9,116
17
8,831
17,5
8,451
18
7,880
18,5
7,501
19
7,027
59
Gambar 4.8. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin
6. Laju penguapan air ke udara Berdasarkan variasi kenaikan debit air dan debit aliran udara menara pendingin. maka dapat diperoleh laju penguapan air ke udara dengan persamaan (2.4) sebagai berikut. Laju penguapan air Dengan menggunakan psychrometric chart didapat harga rasio kelembaban udara, dan volume spesifik udara ambien dari kondisi udara masuk dan keluar menara pendingin yaitu ωh1 = 0,02025174 kg uap air/kg udara ωh2 = 0,02192757 kg uap air/kg udara v
= 0,884 m3/kg
1,09 Laju penguapan air 60 = 0,02192757 0,02025174 0,99285 0,884 min = 0,124646609 ℓ/min Dengan cara perhitungan yang sama, harga laju penguapan air selanjutnya ditunjukkan pada tabel berikut ini.
60
Tabel 4.11. Hubungan kenaikan debit air terhadap laju penguapan air menara pendingin Debit air (ℓ/min)
Laju penguapan air (ℓ/min)
16,5
0,124646609
17
0,137476138
17,5
0,138076589
18
0,148446644
18,5
0,140921490
19
0,090586809
Gambar 4.9.. Grafik hubungan kenaikan debit air terhadap laju penguapan air
7. Rasio air dengan udara Nilai rasio air-udara dapat diperoleh dengan persamaan (2.5) berikut ini.
debit air spesifik / menit / m 2 debit udara spesifik / menit / m 2 137 ,5 546966 ,648 0,00025138
Rasio air udara
61
Selanjutnya ditunjukkan pada tabel berikut ini. Tabel 4.12. Hubungan kenaikan debit air terhadap rasio air dengan udara Debit air (ℓ/min)
Rasio air dengan udara
16,5
0,000251386
17
0,000267359
17,5
0,000287592
18
0,000317193
18,5
0,000342510
19
0,000375536
Gambar 4.10. Grafik hubungan kenaikan debit air terhadap rasio air-udara
62
4.3. Perbandingan Hasil Penelitian Berdasarkan hasil penelitian dan analisa kinerja menara pendingin maka diperoleh data-data spesifikasi utama yang akan menjadi acuan untuk pengembangan
menara
pendingin
dengan
kapasitas
yang
lebih
besar.
Perbandingan hasil penelitian filling material pipa PVC Ø 1 inci dengan pipa PVC Ø ½ inci dan Ø ¾ inci yang diteliti oleh rekan satu tim dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Tabel 4.13. Perbandingan hasil penelitian filling material pipa PVC Ø ½ inci, Ø ¾ inci, dan Ø 1 inci Filling material
Luas penampang fill (m2)
Ketinggian fill (cm)
RH outlet (%)
T udara outlet (°C)
Kapasitas aliran udara (m3/s)
pipa Ø ½ inci
0,12
9
87,2
29,2
0,27
pipa Ø ¾ inci
0,12
10,5
88,3
28,4
0,50
pipa Ø 1 inci
0,12
12
87,8
28,6
1,09
Perbandingan spesifikasi menara pendingin internasional yang mengaplikasikan inclined-honeycomb filling material dengan menara pendingin hasil penelitian satu tim ditunjukkan pada tabel berikut ini.
63
Tabel 4.14. Perbandingan spesifikasi menara pendingin yang mengaplikasikan inclined-honeycomb filling material dengan menara pendingin hasil penelitian.
Diameter Ketinggian Range fill (mm) fill (mm) (°C) Menara pendingin LBC-3 (Liang Chi) Menara pendingin hasil penelitian (pipa Ø 1 inci)
Twb (°C)
Debit air (ℓ/min)
Kapasitas fan 3 (m /min) (cfm)
Harga fill (Rp)
690
450
5
28
39
25 (870)
1.200.000
690
120
5
26,9
32
96 (3390)
186.000
Menara pendingin hasil penelitian (pipa Ø ¾ inci)
690
105
5
26,5
33
46 (1620)
160.000
Menara pendingin hasil penelitian (pipa Ø ½ inci)
690
90
5
27,3
33
22 (780)
133.000
Dari hasil perbandingan di atas, kapasitas fan yang lebih ekonomis adalah yang dimiliki menara pendingin dengan filling material pipa PVC Ø ½ inci. Akan tetapi jika kapasitas fan tersebut disamakan dengan kapasitas fan menara pendingin liang chi LBC 3, maka debit air yang mampu didinginkan dapat meningkat karena kapasitas fan dengan kapasitas pendinginan menara pendingin memiliki hubungan yang berbanding lurus, sehingga diperoleh Persen peningkatan =
25 22 100% 12 % 25
64
Debit air yang mampu didinginkan = 33 ℓ/menit + 12 % debit air penelitian = 33 ℓ/menit + 4 ℓ/menit = 37 ℓ/menit
Berdasarkan data-data spesifikasi pada katalog menara pendingin Liang Chi didapat grafik performansi menara pendingin tersebut untuk beberapa tipe sebagai berikut.
Gambar 4.11. Hubungan kebutuhan udara dengan luas penampang fill pada menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-15 dan hasil penelitian
65
Gambar 4.12. Hubungan debit air dengan luas penampang fill pada menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-15 dan hasil penelitian
66
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Ketinggian tumpukan filling material yang optimal adalah 12 cm yang memiliki kelembaban relatif (RH) udara keluar paling tinggi sebesar 87,8% dan suhu udara keluar paling rendah sebesar 28,6 °C 2. Data-data utama menara pendingin yang diperoleh dari hasil penelitian adalah a. Range menara pendingin adalah 5 °C b. Approach menara pendingin adalah 1,1 °C c. Temperatur bola basah menara pendingin adalah 26,9 °C d. Berat filling material yang dibutuhkan adalah 224 kg/m3 e. Diameter tumpukan filling material adalah 390 mm f. Kapasitas fan menara pendingin adalah 1940 cfm g. Debit air panas optimum yang mampu didinginkan menara pendingin hasil penelitian adalah 18 liter/menit h. Kapasitas aliran udara fan optimal persatuan luas penampang (face velocity) yang dibutuhkan untuk mendinginkan air adalah 7,88 m/s i. Kapasitas pendinginan optimum persatuan luas penampang menara pendingin adalah 52,193 kW/m2 j. Debit air spesifik persatuan luas penampang menara pendingin yang optimal adalah 150 liter/menit/m2 k. Laju penguapan air menara pendingin yang optimal adalah 0,148446644 liter/menit. 3. Berdasarkan hasil perbandingan pada tabel 4.13, dapat dilihat bahwa kapasitas aliran udara yang dimiliki pipa PVC Ø ½ inci lebih ekonomis dibandingkan pipa PVC Ø ¾ inci dan Ø 1, sehingga lebih diutamakan pemakaian pipa PVC ½ inci pada menara pendingin.
67
4. Sesuai hasil perbandingan spesifikasi menara pendingin pada tabel 4.14, filling material hasil penelitian yang paling baik adalah pipa PVC Ø ½ inci dengan spesifikasi yang lebih ekonomis dari segi ketinggian fill, kapasitas fan, dan harga fill dibandingkan dengan inclined-honeycomb filling material tetapi tidak unggul dari segi debit air.
5.2. Saran Untuk kelanjutan dan pengembangan penelitian ini kedepannya, penulis menyarankan bahwa hendaknya penelitian didukung dengan dana yang lebih besar untuk mendapat hasil yang lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA
1. ASHRAE Inc., (2008). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment. SI Edition. Atlanta. 2. Australian Institute of Air Conditioning, Refrigeration, and Heating (AIRAH). Types of Cooling Towers. In: Selecting a Cooling Tower Level 1 – Participant Guide Version 1.0, www.airah.org.au/downloads/CPD-samplepg.pdf 3. Çengel, Yunus A., (2004). Thermodynamics – An Engineering Approach. Fourth Edition. Mc-Graw Hill, New York. 4. DesJardins, Richard J., (2007). Cooling Towers Work as a System. CTI Journal, Vol. 28, No.1. The Cooling Technology Institute, Texas. p.14-26. 5. GEO4VA, Virginia Department of Mines, Minerals, and Energy. Ground Loop Configuration and Installation. www.geo4va.vt.edu/A2/A2.htm 6. Gulf
Coast
Chemical
Commercial
Inc.,
(1995).
Cooling
Systems.
www.gc3.com/techdb/manual/coolfs.htm 7. Hensley, John C., (2006). Cooling Tower Fundamentals. Second Edition. SPX Cooling Technologies Inc., Kansas. 8. Holman, J. P., (1992). Heat Transfer. Seventh Edition. Mc-Graw Hill, New York. 9. Jordan, Richard C., (1973). Refrigeration and Air Conditioning. Second Edition. Prentice-Hall, New Jersey. 10. McDowall, R., (2006). Fundamentals of HVAC Systems. First Edition. Elsevier, Oxford. 11. Pacific Northwest National Laboratory, (2001). Photo Library. www.pnl.gov, www.cce.iastate.edu/courses/ce525/Cooling%20Towers.doc 12. Stanford III, Herbert W., (2003). HVAC Water Chillers and Cooling Towers – Fundamentals, Application, and Operation. Marcel-Dekker Inc., New York. 13. Stocker, Wilbert F., and Jerold, William C., (1978). Air Conditioning and Refrigeration. Second Edition. Mc-Graw Hill, New York.
