PERANCANGAN MENARA PENDINGIN UNIT CHILLER PT SUMCO INDONESIA Tugas Akhir
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Dalam Memperoleh Gelar Sarjana Strata Satu (S1) Program Studi Teknik Mesin
Disusun oleh : Nama : Abdul Haris Nugroho NIM : 4130411-046
MERCU BUANA
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA
2007
LEMBAR PERSETUJUAN
Tugas akhir dengan judul : PERANCANGAN MENERA PENDINGIN UNIT CHILLER PT SUMCO INDONESIA Disusun oleh : Nama NIM Jurusan Fakultas
: Abdul Haris Nugroho : 4130411-046 : Teknik Mesin : Teknologi Industri Universitas Mercu Buana
Untuk memenuhi persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana strata satu ( S1) Program Studi Teknik Mesin. Tugas Akhir ini disetujui untuk diajukan dalam siding / ujian tugas akhir.
Jakarta,
Desember 2007
Menyetujui :
Pembimbing
Koordinator TA
Ir. Yuriadi Kusuma, M.Sc
Ir. Ruli Nutranta,M.Eng
LEMBAR PERNYATAAN
Tugas akhir dengan judul : PERANCANGAN MENERA PENDINGIN UNIT CHILLER PT SUMCO INDONESIA Disusun oleh : Nama NIM Jurusan Fakultas
: Abdul Haris Nugroho : 4130411-046 : Teknik Mesin : Teknologi Industri Universitas Mercu Buana
Mentyatakan bahwa TUGAS AKHIR ini adalah hasil karya sendiri, bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain.
Jakarta,
Desember 2007
Abdul Haris Nugroho Penulis
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan nikmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul : Perancangan Menara Pendingin Berkapasitas 300 TR Tipe Aliran Berlawanan. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memenuhi persyaratan kurikulum pada Fakultas Teknik Institut Sains dan Teknologi Nasional dalam menempuh gelar sarjana. Penulis menyadari akan akan segala keterbatasan dalam penyajian Tugas Akhir ini, oleh karena itu penulis mengharap kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1.
Bapak, Ibunda, dan Siti Choiriyah
tecinta, serta Rizki dan Naufal
tersayang yang telah memberikan banyak dukungan baik dalam moril maupun spirituil. 2.
Ir. Yuriadi Kusuma,M.Sc, yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penyusunan tugas akhir ini.
3.
Para Dosen yang telah memberi bekal ilmu pengetahuan tanpa adanya suatu bentuk pamrih.
4.
PT. SUMCO Indonesia, Catur P, Saefudin dan rekan-rekan , serta semua pihak yang telah membantu terselesainya Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat
bermanfaat bagi para pembaca.
ABSTRAKSI
Pada
unit
pendingin
yang
berkapasitas
besar,
biasanya
menggunakan kondensor dengan pendinginan air. Hal ini disebabkan karena air mempunyai konduktivitas termal yang tinggi selain juga karena faktor ekonomis. Untuk itu diperlukan alat bantu sirkulasi air yang disebut Menara Pendingin (Cooling Tower). Alat ini berfungsi untuk mendinginkan air panas yang berasal dari kondensor unit pendingin dan mensirkulasikan kembali air ke kondensor. Ada dua metode analisa terhadap kondisi termal menara pendingin, yaitu analisa perpindahan panas dan massa serta analisa kesetimbangan energi (kalor). Dengan melakukan dua hal tersebut akan didapatkan nilai karakteristik menara pendingin, yaitu acuan dasar dalam merencanakan bagian-bagian menara pendingin seperti packing, lover dan drift eleininator. Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya nilai karekateristik menara pendingin antara lain temperatur air masuk (Ti, in), temperatur air keluar (Tl, out), temperatur web bulb (Twb) dan laju aliran volume air (L). Dalam pelaksanaannya menara pendingin ini digunakan untuk melayani unit pendingin di pabrik, dimana terdapat keterbatasan tempat dan persediaan air. Untuk itu pemilihan terhadap type dari menara pendingin yang akan digunakan dengan mempertimbangkan beban pendinginan akan menentukan tingkat keefesienan dari sistem tersebut.
DAFTAR ISI
Halaman Judul.........................................................................................i Pengesahan Dosen.................................................................................ii Lembar pernyataan................................................................................iii Kata Pengantar...................................................................................... iv Abstraksi ................................................................................................v Daftar Isi ...............................................................................................vi Daftar Gambar........................................................................................ x Daftar Tabel...........................................................................................xii Daftar Lampiran....................................................................................xiii
BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang.................................................................1 1.2 Pembatasan Masalah......................................................2 1.3 Maksud dan Tujuan.........................................................3 1.4 Metodologi Penelitian...................................................... 3 1.5 Sistematika Penulisan..................................................... 4
BAB II
LANDASAN TEORI 2.1 Tipe Sistem Pendinginan Air...........................................6 2.2 Menara Pendingin (Cooling Tower).................................8 2.2.1
Klasifikasi Menara Pendingin............................. 12 2.2.1.1
Atmospheric Cooling Tower ..............13
2.2.1.2
Natural Draft Cooling Tower.............. 13
2.2.1.3
Mechanical Draft Cooling Tower........14
2.2.2 Spesifikasi Menara Pendingin Aliran Berlawanan.........................................................17
2.2.3
2.2.2.1
Sistem Distribusi Air Panas................17
2.2.2.2
Packing (Fill).......................................18
2.2.2.3
Drift Eliminator................................... 20
2.2.2.4
Louver................................................21
Analisa Menara Pendingin Aliran Berlawanan... 22 2.2.3.1
Analisa Perpindahan Panas dan Massa................................................... 22
2.2.3.2
Analisa Kesetimbangan Kalor (Energi).................................................25
BAB III
2.2.4
Nilai Karakteristik Menara Pendingin................. 27
2.2.5
Analisa Make Up Water......................................32 2.2.5.1
Kehilangan Air karena Evaporasi.......33
2.2.5.2
Kehilangan Air karena Drift................ 34
2.2.5.3
Kehilangan Air karena Blow Dow.......34
ANALISA PERHITUNGAN PERANCANGAN.................... 35 3.1 Perhitungan Beban Panas dan Kebutuahan Air Pendingin Pada Kondensor Unit Pendingin................................... 35 3.1.1
Kondisi Proses....................................................36
3.1.2
Perhitungan Beban Panas Pada Kondensor......38
3.1.3
Perhitungan Kebutuhan Air Pada Kondensor.........40
3.2 Analisa Perencanaan Menara Pendingin Aliran Berlawanan........................................................................41 3.2.1
Data-data Perancangan..........................................42
3.2.2
Perhitungan Nilai Karakteristik Menara Pendingin.
3.2.3
3.2.2.1
Perhitungan dengan Metode Numerik... 43
3.2.2.2
Perhitungan dengan Metode Steven
46
Perancangan Fill (Packing) dan Tinggi Packed Menara....................................................................48 3.2.3.1
Jumlah Packing...................................... 48
3.2.3.2
Tinggi Packed Menara Pendingin...........49
3.2.4
Penentuan Luasan Dasar
3.2.5
Perhitungan Kerugian Tekanan (Pressure Drop)... 51
3.2.6
3.2.7
50
3.2.5.1
Pressure Drop pada Packing
51
3.2.5.2
Pressure Drop pada Drift Eliminator..... 52
3.2.5.3
Pressure Drop pada Louver................... 53
Perhitungan Daya dan Diameter Fan..................... 55 3.2.6.1
Daya Fan................................................ 55
3.2.6.2
Diamter Fan............................................ 56
Analisa Make Up Water.......................................... 57 3.2.7.1
Kehilangan Air karena Evaporasi........... 58
3.2.7.2
Kehilangan Air karna Drift...................... 58
3.2.7.3
Kehilangan Air karena Blow Down......... 58
3.2.7.4
Total Make Up Water yang Diperlukan.. 59
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMILIHAN MENARA PENDINGIN 4.1 Data Hasil Perancangan....................................................60 4.2 Pemilihan Menara Pendingin.............................................60 4.3 Pengontrolan Kualitas Air.................................................. 63 4.4 Analisa Beban Kalor.......................................................... 65
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan........................................................................ 66 5.2 Saran................................................................................. 67
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1
Sistem Instalasi Menara Pendingin................................... 2
Gambar 2.1
Sistem Resirkulasi Tertutup............................................... 7
Gambar 2.2
Sistem Resirkulasi Terbuka............................................... 8
Gambar 2.3
Menara Pendingin Aliran Berlawanan............................... 9
Gambar 2.4
Natural Draft Cooling Tower..............................................13
Gambar 2.5
Induced Draft Counterflow Tower......................................15
Gambar 2.6
Induced Draft Crossflow Tower......................................... 16
Gambar 2.7
Sistem Distribusi Air...........................................................13
Gambar 2.8
Nilai Aliran Massa Udara Ekuivalen.................................. 19
Gambar 2.9
Berbagai Tipe Deck Packing............................................. 20
Gambar 2.10 Perpindahan Kalor dan Massa antara Udara dan Muka Basah Air................................................................. 23 Gambar 2.11 Profil Perpindahan Kalor Sensibel dan Kalor Laten Pada Interface................................................................... 24 Gambar 2.12 Pertukaran Energi dan Volume Deferensial Aliran Berlawanan........................................................................26 Gambar 2.13 Diagram Aliran Kerja Udara dan Air.................................. 30 Gambar 2.14 Gambar Driving Force (hi-ha)............................................31 Gambar 2.15 Diagram Stevens............................................................... 32
Gambar 3.1
Sistem Menara Pendingin dan Chiller............................... 35
Gambar 3.2
Diagram P-H......................................................................37
Gambar 3.3
Diagram Perhitungan Faktor
Gambar 3.4
Distribusi Temperatur dalam Volume................................ 44
Gambar 3.5
Skema Variasi (hi-ha)........................................................ 46
K .α .V ................................. 43 L
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Faktor Konstanta dari Berbagai Tipe Deck (packing)....... 20
Tabel 3.1
Kondisi Proses Tiap Titik Diagram P-h..............................38
Tabel 3.2
Hasil Perhitungan Entalpi Driving Force Untuk Setiap Volume Bagian.................................................................. 45
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Grafik Psikometri............................................................... 68
Lampiran 2
Sifat-sifat Termodinamika Udara Lembab.........................69
Lampiran 3
Diagram Tekanan-Entalphi untuk R-11............................. 70
Lampiran 4
Diagram Tekanan-Entalphi untuk R-11 Lanjutan.............. 71
Lampiran 5
Tbel Sifat-sifat R-11...........................................................72
Lampiran 6
Tabel Sifat-sifat Air (Cair Jenuh)....................................... 73
Lampiran 7
Tabel Pemilihan Laju Aliran Air dan Temperatur.............. 74
Lampiran 8
Tabel Spesifikasi dan Ukuran Cooling Tower................... 75
Lampiran 9
Induced Draft Cooling Tower Model LBC-500.................. 76
DAFTAR PUSTAKA
1. Ernest Ludwig, Applied Process Design For Chemical and Petrochemocal Plant, Volume 2, London 1984 2. Nicholas P.Cheremissinof, Cooling Tower, Selection, Design, and Practice, Michigan 1983 3. Rosaler, Robert C, The Standard Handbook of plant Engineering, 2nd Edition, New York, 1995 4. Liang Chii Cooling Towerr, Buku Petunjuk , Jakarta 1994.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah Pada sistem pendingin, refrigeran yang temperaturnya naik akibat
kompresi,
akan
didinginkan
di
kondensor
agar
dapat
dikondensasikan. Dengan cara memindahkan panas refrigeran tersebut ke air atau udara. Untuk sistem dengan beban pendinginan yang besar, karena pertimbangan ekonomis, digunakan kondensor dengan pendinginan air. Dalam pelaksanaannya pada sistem dengan pendinginan air, air yang telah dipakai tidak dibuang melainkan disirkulasikan agar dapat dipakai lagi, yaitu dengan mendinginkan air tersebut dengan udara luar yang temperaturnya lebih rendah. Salah satu alat dengan sistem sirkulasi air seperti ini adalah menara pendingin. Ada beberapa macam tipe menara pendingin. Salah satunya adalah tipe counterflow induced draft (menara pendingin aliran berlawanan). Tipe inilah yang akan dianalisa mengenai proses perancangannya karena menara pendingin ini digunakan untuk melayani unit pendingin di pertokoan. Untuk efisiensi tempat, maka pemilihan ukuran dari menara pendingin harus tepat dan sesuai dengan kapasitasnya. Dasar pemilihan ukuran dan instalasi menara pendingin ditentukan oleh nilai karakteristiknya. Dimana karakteristik menara
pendingin dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain : tipe menara pendingin, jumlah dan tipe packing yang dipakai, temperatur udara luar, rasio laju aliran udara dan air, range pendinginan, dan cooling aproach. Secara garis besar, menara pendingin dan instalasi yang menghubungkan dengan kondensor unit pendingin dapat dilihat dalam gambar 1.1 berikut.
Kondensor
Menara
Udara
Udara
Sumber Make- up Water
Pompa Pompa
Gambar 1.1 Sistem Instalasi Menara Pendingin
1.2 Pembatasan Masalah Untuk
menyelesaikan
permasalahan-permasalahan
dalam
proses perencanaan menara pendingin, diperlukan adanya batasanbatasan dengan tujuan untuk memudahkan perhitungan, dipakai beberapa batasan (asumsi) yang dipakai adalah : 1) Sistem dalam kondisi Steady State Steady Flow (SSSF) 2) Udara dianggap sebagai gas ideal
3) Perpindahan panas konduksi terhadap dinding menara pendingin diabaikan. 4) Pengaruh radiasi dan konveksi dari lingkungan dari menara pendingin diabaikan. 5) Dalam perencanaan tidak termasuk perencanaan instalasi dari sistem penyegaran udara tersebut.
1.3 Maksud dan Tujuan Sasaran studi ini adalah untuk memberikan sumbangsing pemikiran tentang proses perancangan dari suatu menara pendingin pada pengguna menara pendingin dan juga memberikan gambaran tentang pemilihan menara pendingin yang akan digunakan sesuai dengan kapasitas pendinginan yang diinginkan.
1.4 Metode Penulisan Mempertimbangkan bahwa topik dari tugas akhir yang dipilih merupakan studi kasus, maka penulis melakukan beberapa metode dalam melakukan penulisan tugas akhir ini adalah : 1) Pengamatan data lapangan serta sekaligus pengambilan datadata aktual. 2) Melakukan diskusi dengan pengguna peralatan merupakan hal yang sangat penting dalam penulisan tugas akhir ini. 3) Studi literatur tetap dilakukan guna memberikan landasan teori pada penulisan tugas akhir ini.
4) Untuk menentukan beban panas dan laju aliran massa air dari unit pendingin (kondensor), dilakukan perhitungan secara teoritis berdasarkan grafik dan tabel.
1.5 Sistematika Pembahasan Untuk memberikan gambaran yang menyeluruh mengenai isi laporan akhir, akan dijelaskan garis besarnya sebagai berikut :
BAB I
PENDAHULUAN Dalam bab ini akan dijelaskan mengenai latar belakang masalah, pembatasan masalah, maksud dan tujuan, metode penulisan, dan sistematika penulisan dari penulisan tugas akhir ini.
BAB II
LANDASAN TEORI Berisikan teori-teori dasar yang merupakan cuplikan bahan pustaka yang relevan untuk menunjang atau membahas permasalahan yang ada dalam penulisan laporan akhir ini. Bab ini menerangkan tipe dari sistem pendinginan air, bagian-bagian menara pendingin, perpindahan kalor dan massa antara udara dan air, nilai karakteristik menara pendingin dan make up water yang dibutuhkan pada menara pendingin.
BAB III
ANALISA DAN PERHITUNGAN PERANCANGAN Bab ini berisi study kasus perhitungan dan analisa perancangan penyegaran
dari suatu cooling udara
perencanaan
seperti
dimensi
tower pada sistem
kebutuhan
menara
air
kondensor,
pendingin
dan
nilai
karakteristik menara pendingin.
BAB IV
DATA
HASIL
PERANCANGAN
DAN
PEMILIHAN
MENARA PENDINGIN Dalam bab ini akan dibahas tentang pemilihan menara pendingin berdasarkan hasil analisa data dari perhitungan perencanaannya.
Dan
juga
akan
dibahas
tentang
pengontrolan kualitas air pendingin yang dipergunakan dan usaha yang dilakukan untuk menjaga kualitas air.
BAB V
KESIMPULAN Bab
ini
menerangkan
faktor-faktor
yang
perlu
dipertimbangkan pada perencanaan menara pendingin dan juga pada saat pemilihan menara pendingin untuk sistem penyegaran udara agar sesuai dengan kepasitas yang diinginkan.
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tipe Sistem Pendinginan Air Kebanyakan
proses
produksi
pada
industri
memerlukan
pendinginan air karena pertimbangan efisiensi dan keamanan. Industri baja, pabrik petrochemical dan penyegaran udara akan tidak berjalan dan efisien jika temperatur tidak sesuai. Pendinginan air akan mengontrol temperatur tersebut dengan mentransfer panas dari fluida proses ke dalam air pendingin yang nantinya akan membuang panas tersebut. Tentu saja air pendingin itu sendiri akan memanas, dan harus didinginkan sebelum air tersebut dapat digunakan lagi atau secara bertahap akan digantikan dengan supply air pendingin baru. Proses pendinginan seperti di atas, dibagi menjadi 3 sistem pendinginan air1 : 1. Once trough system Air pendingin dialirkan dari sumbernya dan melewati sekali saja dari suatu sistem untuk mengambil panas dari suatu proses panas dan mengalirkannya kembali ke sumber air aslinya. Desain seperti ini membutuhkan volume air banyak seperti di dekat danau atau pinggir pantai. Karena pertimbangan konservasi dan kualitas air banyak sistem once trough diganti dengan sistem sirkulasi ulang (recirculating system). 1
The Standard Handbook of Plant Engineering, 2nd Edition, Rosaler, Robert C., New York, 1995
2. Closed recurcilating system (sistem resirkulasi tertutup) Dalam sistem resirkulasi tertutup, air pendingin digunakan barkalikali. Panas yang diserap oleh air pendingin ditransfer juga ke pendingin lain atau dilepas ke atmosphere dalam menara pendingin. Tetapi di dalam menara pendingin ini air pendingin tidak pernah kontak langsung dengan udara sehingga akibatnya hanya sedikit air yang hilang. Sistem resirkulasi dapat dilihat pada gambar 2.1
Gambar 2.1 Sistem Resirkulasi Tertutup (The standard Handbook of Plant Engineering, 2nd Edition, Rosaler, Roberit C., New York, 1995)
3. Open recirculating system (sistem resirkulasi terbuka) Sistem resirkulasi terbuka lebih banyak digunakan dibanyak industri desain pendingin. Seperti halnya dengan sistem tertutup,
air
digunakan
berkali-kali.
Menara
pendingin
terbuka
menggunakan evaporasi untuk melepas panas dari air pendingin. Sistem ini terdiri dari 3 peralatan utama : pompa resirkulasi, heat exchanger, dan cooling tower atau menara pendingin seperti gambar 2.2.
Gambar 2.2 Sistem Resirkulasi Terbuka (The standard Handbook of Plant Engineering, 2nd Edition, Rosaler, Roberit C., New York, 1995)
2.2 Menara Pendingin (Cooling Tower) Menara pendingin adalah salah satu alat evaporatif tertutup yang dipakai oleh sistem refrigerasi untuk melepaskan kalor ke udara sekitar. Melalui kontak langsung dengan udara luar, dimana terjadi proses kombinasi perpindahan panas dan massa.
Ilustrasi dan prinsip kerja menara pendingin adalah seperti gambar 2.3 di bawah ini.
Gambar 2.3 Menara Pendingin Aliran Berlawanan (Nicholas P.C., Cooling Tower, Selection, Design, and Practice, Michigan 1983)
Prinsip Kerja Menara Pendingin Air panas yang masuk melalui sistem distribusi disemburkan secara merata ke kisi-kisi packing. Kisi-kisi packing ini berfungsi mencampurkan air yang jatuh dengan udara yang bergerak naik, ketika air berpercikan dari packing bagian atas ke bagian bawahnya. Udara masuk dari luar melalui celah-celah pada sisi menara yang disebut louver. Karena adanya percampuran antara air panas dan udara, terjadi perpindahan kalor dan massa yang baik, sehingga
air menjadi dingin. Air yang telah dingin ini mengumpul di basin dasar menara dan selanjutnya dipompakan ke kondensor.
Kemampuan termal setiap menara pendingin dapat ditentukan oleh paremater-parameter : a) Temperatur air masuk dan keluar b) Temperatur bola basah dan atau bola kering udara masuk c) Massa aliran air Temperatur bola kering udara masuk mempengaruhi jumlah air yang diuapkan dari air yang didinginkan pada menara pendingin tipe evaporatif. Ia juga mempengaruhi aliran udara pada menara hiperbolik dan langsung menghasilkan kemampuan termal pada komnponen menara pendingin dengan kontak tak langsung.
Untuk
baiknya
operasional
menara
pendingin,
diperlukan
persayaratan sebagai berikut : a) Kondisi nominal dari menara pendingin Kapasitas menara pendingin (Ton refrigerasi) distandarisasi menurut The Japanese Cooling Tower Industry Association sebagai berikut : 1 Ton Refrigerasi = 390 kkal/jam = 1634.1 kJ/jam = 0.454 kWatt pada kondisi : Temperatur bola basah udara sekitar 27OC Temperatur air masuk 37OC
Temperatur air keluar 32OC Volume Aliran air 13 L/s Harga standar tersebut di atas menentukan prestasi menara pendingin. b) Daerah Pendinginan (Range) Daerah pendinginan menyatakan selisih temperatur dari air masuk dan air keluar menara pendingin. Kapasitas pendingin (BTU/hr) = Volume aliran air pendingin (gal/min) x Daerah pendinginan (OF) x 500. Jadi untuk menara pendingin dengan volume air pendingin
yang
sama,
menara
pendingin
dengan
daerah
pendinginan yang lebih besar memiliki kapasitas pendinginan yang lebih besar pula. Untuk mencapai efek tersebut, menara pendingin harus dirancang dapat terjadi kontak yang baik antara air dan udara. c) Temperatur Bola-Basah udara luar Temperatur ini harus ditetapkan berdasarkan kondisi udara atmosfir pada musim dimana kelembaban relatif udara atmosfir tinggi.
Temperatur
standar
yang
digunakan
adalah
27OC,
berdasarkan pertimbangan bahwa pada kenyataannya temperatur maksimum hanya terjadi selama waktu yang sangat singkat pada siang hari, selain itu juga berdasarkan biaya instalasi. d) Pendekatan Pendinginan (Cooling Approach) Kapasitas pendinginan dari sebuah menara pendingin sangat tergantung pada temperatur bola-basah udara atmosfir dan sangat
menentukan temperatur air keluar. Hubungan antara kedua parameter
tersebut
dapat
dinyatakan
dengan
pendekatan
(Approach). Pendekatan,
C = (Temperatur air keluar menara pendingin, OC) –
O
(Temperatur bola-basah) dari udara atmosfir, OC). Untuk temperatur bola basah dari udara atmosfir yang sama, menara
pendingin
dengan
pendekatan
yang
lebih
kecil
(temperatur air keluar yang lebih rendah) dapat memberikan efek pendinginan yang lebih besar. Untuk memperoleh hal tersebut, kontak antara air dan udara harus dapat dibuat lebih efektif. Hal yang penting dalam kaitannya dengan kapasitas pendinginan adalah air pendingin kondensor atau air yang disirkulasi di dalam menara pendingin. Kapasitas pendinginan dari sistem AC akan turun apabila jumlah aliran air pendingin berkurang atau temperatur air pengingin bertambah. Hal ini dapat terjadi bila ada kotoran yang terbawa alur menempel pada pipa kondensor yang menyebabkan turunya koefisien perpindahan kalor atau naiknya tahanan aliran air, sehingga energi total untuk sistem AC akan bertambah. Untuk menghindari hal tersebut, pipa-pipa kondensor atau menara pendingin harus dibersihkan secara periodik.
2.2.1 Klasifikasi Menara Pendingin Cooling Tower biasa dikategorikan berdasarkan bagaimana caranya air dan udara berinteraksi. Menurut cara pengaliran udara
sebagai
medium
pendingin
air,
menara
pendingin
dapat
diklasifikasikan menjadi 3 jenis2, yaitu :
2.2.1.1
Atmospheric Cooling Tower
Atmospheric cooling tower adalah jenis menara pendingin yang paling
sederhana,
karena
memanfaatkan
aliran
angin
untuk
menggerakkan udara yang melewati menara sebagai medium perpindahan kalor. Kelebihan dari cooling tower jenis ini adalah konstruksinya
sederhana,
biaya
operasi
rendah
karena
tidak
memerlukan daya listrik. Tetapi kekurangannya adalah tidak efisien, karena
banyak
air
yang
terbuang
bersama
aliran
udara,
membutuhkan tempat yang luas dan terbuka, dan proses pendinginan perlu waktu lama.
2.2.1.2
Natural Draft Cooling Tower
Natural Draft Cooling Tower merupakan menara pendingin yang mengalirkan udara secara alami dengan memanfaatkan ketinggian cerobong seperti terlihat pada gambar 2.4.
2
Rosaler, Robert C., The Standard Handbook of Plant Engineering, 2nd Edition, New York, 1995
Kelebihan dari cooling tower jenis ini adalah tidak memerlukan peralatan mekanik dan daya listrik, sehingga biaya operasi dapat ditekan.
Kapasitas
beban
pendinginan
air
besar
sehingga
efesiensinya tinggi. Adapun kekurangannya adalah ketahanan konstruksi
terhadap
aliran
angin
harus
terus
dijaga,
proses
pendinginan tergantung pada lingungan sekitar, biaya awal relatif lebih besar.
2.2.1.3
Mechanical Draft Cooling Tower
Mechanical Draft Cooling Tower merupakan jenis menara pendingin yang menggunakan bantuan fan (kipas) untuk mengalirkan udara masuk ke dalam menara. Berdasarkan pemasangan fan dan gaya dorongnya, menara jenis ini dibagi menjadi dua, yaitu :
2.2.1.3.1 Forced Draft Cooling Tower Forced Draft Cooling Tower merupakan menara pendingin jenis mechanical draft yang menggerakkan udara dengan gaya dorong, oleh fan yang dipasang pada sisi bagian bawah menara. Konstruksi jenis menara ini menyebabkan kecepatan udara keluar relatif rendah, sehingga mengakibatkan sebagian udara panas bersirkulasi kembali ke dalam menara. Pada kipas juga sering terjadi korosi, karena udara yang dihisap adalah udara bebas.
2.2.1.3.2 Induced Draft Cooling Tower Induced Draft Cooling Tower merupakan pendingin jenis mechanical draft yang menggerakkan udara dengan gaya hisap oleh fan yang dipasang di atap menara. Pada menara pendingin jenis ini resirkulasi udara panas relatif kecil, sehingga proses pendinginnya akan berjalan dengan baik. Hal ini disebabkan kecepatan udara keluar cukup besar dengan arah tegak lurus ke atas. Namun, kipas sebagai unit penggeraknya mudah sekali korosi karena udara yang dihisap adalah udara yang banyak mengandung uap air, sehingga harus dilapisi plastik atau logam tahan korosi. Menara pendingin jenis ini paling banyak dipakai untuk berbagai keperluan, terutama di Indonesia. Induced Draft Cooling Tower dibedakan menjadi dua tipe berdasarkan arah aliran udaranya, yaitu :
2.2.1.3.2.1
Induced Draft Cooling Tower Type Counterflow
Adalah jenis menara pendingin aliran berlawanan, dimana udara mengalir dari bawah packing dan bertabrakan dengan air panas yang jatuh pada permukaan packing seperti terlihat pada gambar 2.5. Kelebihan : -
Tidak memerlukan tempat yang terlalu luas
-
Efisiensi tinggi, karena persinggungan air panas dan udara lebih lama.
-
Kerugian karena evaporasi lebih sedikit.
Kekurangan : -
Luas louver yang terbatas, menyebabkan udara yang masuk harus dengan kecepatan tinggi sehingga membutuhkan daya fan yang besar.
-
Distribusi udara tidak merata, bagian pinggir dan pusat menara lebih sedikit.
-
Kapasitas air terbatas.
2.2.1.3.2.2
Induced Draft Cooling Tower Type Crossflow
Adalah jenis menara pendingin aliran bersilangan, dimana udara mengalir dari sisi-sisi menara dan bersilangan arah dengan air yang jatuh berpercikan di atas packing seperti terlihat pada gambar 2.6. Kelebihan : -
Head pompa rendah, karena menggunakan sistem distribusi kolam (gravitasi).
-
Udara masuk menara lebih banyak
-
Kapasitas air lebih besar
Kekurangan : -
Memerlukan luasan tanah yang lebih luas
-
Kerugian akibat evaporasi lebih banyak
2.2.2 Spesifikasi Menara Pendingin Aliran Berlawanan (Induced Draft Cooling Tower Type Counter Flow) Pada menara pendingin aliran berlawanan, udara masuk melalui kisi-kisi lubang di sepanjang sisi bagian bawah menara dengan kecepatan rendah dan bergerak ke atas melalui fill (packing). Air disemprotkan dari pendistribusi air di atas packing berupa tetesan air yang juga melalui packing. Karena terjadi pertemuan air dan udara dengan aliran berlawanan. Fan dipasang di puncak menara dan dari situ membuang udara panas dan lembab ke udara. Ada empat bagian utama dari menara pendingin aliran berlawanan yang mempengaruhi proses-proses di dalamnya. Ke empat bagian itu adalah : sistem distribusi air, packing (fill), drift eliminator dan louver. Bagian-bagian ini pada umumnya berbeda, baik bentuknya maupun pemasangannya dari menara pendingin jenis lain.
2.2.2.1
Sistem Distribusi Air Panas
Sistem distribusi air berfungsi untuk membagikan air panas secara merata pada packing. Ada beberapa jenis sistem distribusi antara lain : 1. Distribusi
Gravitasi,
yang
terutama
dipakai
pada
menara
pendingin aliran silang (gambar 2.7.a) 2. Distribusi semprot, yang menggunakan pipa-pipa melintang dengan nosel yang mengarah ke bawah (gambar 2.7.b).
3. Distribusi rotasi, yang terdiri dari dua atau lebih lengan distribusi yang bercelah dan berputar pada suatu sumbu tengah, tempat masuk air dengan tekanan yang tinggi (gambar 2.7.c) Sistem distribusi semprot dan rotasi pada umumnya dipakai untuk menara pendingin aliran berlawanan.
2.2.2.2
Packing (Fill)
Packing (fill) merupakan inti dari menara pendingin. Packing harus dapat menimbulkan kontak langsung yang baik antara air dan udara, agar laju perpindahan kalor sensibel dan kalor laten cukup tinggi, tetapi laju aliran udara tetap rendah. Besarnya drop pressure akibat adanya packing didapat dari persamaan berikut.
0.675 2 0.0675 + N ' C ' S F LG E 2 ............................(2-1)3 ∆ P = N ' BGa ρ ρ G G dimana :
3
N’
= jumlah packing dalam menara pendingin
Ga
lbm = laju aliran udara per luasan penampang 2 h. ft
L
lbm = laju aliran air per luasan penampang 2 h . ft
GE
= laju aliran udara ekivalen
ρG
= massa jenis udara rata-rata kondisi masuk dan keluar
Ernest Ludwig, Applied Pocess Design For Chemical And Petrochemical Plants, Volume 2, London 1984
lbm menara 3 ft B,C’SF = konstanta pressure losses, dapat dilihat pada tabel 2.1
Selain mempengaruhi besarnya pressure losses pada menara pendingin, tipe packing (deck) juga mempengaruhi nilai karakteristik menaran pendingin tersebut, seperti dalam persamaan berikut :
L KaV = 0.07 + A' N ' L Ga
−n
.............................................................. (2-2)
dimana : Kα V = nilai karakteristik menara pendingin L N’
= jumlah packing atau deck
L Ga
= rasio laju aliran air dan udara
A’,n
= faktor konstanta, tabel 4.1
Berbagai tipe packing (deck) serta faktor konstantannya dapat dilihat dari tabel 2.1 gambar 2.9 berikut ini.
2.2.2.3
Drift Eliminator
Drift Eliminator berfungsi untuk membelokkan udara buang sehingga akan mengurangi jumlah air yang terbawa udara keluar. Selain mengurangi kerugian air akibat terbawanya butiran-butiran air oleh udara keluar, drift eliminator akan menyebabkan pressure drop terhadap aliran udara. Drop pressure yang terjadi bila udara melewati drift eliminator didasarkan pada massa jenis udara 0.0675 lbm/ft3, akan bervariasi harganya yaitu 0.01 inch air pada Ga = 800 h.lbm/ft3, hingga 0.007 inch air pada Ga = 2000 lbm/h.ft3, yang mendekati garis
lurus. Drop pressure ini juga didasarkan pada luas bidang muka drift eliminator. Untuk massa jenis udara yang berlainan, maka harus dilakukan
penyesuaian
terlebih
dahulu,
dengan
menggunakan
kecepatan udara tersebut.
Vud =
Ga ρG
2.2.2.4
...................................................................................... (2-3)
Louver
Louver adalah celah-celah untuk udara masuk ke dalam menara pendingin yang dipasang di sepanjang sisi menara bagian bawah. Pressure losses yang terjadi ketika aliran udara melewati louver didasrkan pada massa jenis udara 0.075 lbm/ft3 akan bervariasi harganya yaitu 0.02 inch air pada kecepatan 400 lbm/ft3, dan 0.32 inch air untuk kecepatan udara 1600 fpm. Sedangkan untuk mencari kecepatan ucara dapat digunakan persamaan berikut : Vud =
Qud ..................................................................................... (2-4)4 SL
Dimana : Qud
= laju aliran volume udara (ft3/m)
SL
= Luas total muka louver (ft2)
2.2.3 Analisa Menara Pendingin Aliran Berlawanan 4
Ernest Ludwig, Applied Pocess Design For Chemical And Petrochemical Plants, Volume 2, London 1984
Seperti telah diuraikan di atas bahwa proses pendinginan air di dalam menara pendingin disebabkan karena adanya kontak langsung antara air panas dengan udara yang melalui percikan-percikan air yang jatuh tersebut. Proses-proses yang terjadi di dalam menara pendingin aliran berlawanan dapat dianalisa dengan dua cara, yaitu : analisa perpindahan panas dan massa kesetimbangan kalor (energi).
2.2.3.1
Analisa Perpindahan Panas dan Massa
Dalam menara pendingin aliran berlawanan, udara mengalir dari bawah dan bersinggungan langsung dengan air yang jatuh. Karena udara melewati permukaan basah, maka terjadi proses kombinasi yaitu perpindahan kalor sensible dan perpindahan kalor laten secara bersama-sama. Perpindahan kalor sensibel terjadi bila terdapat perbedaan suhu antara udara yang mengalir (Ta) dengan muka basah air (Ti). Proses ini disebut juga perpindahan panas konveksi, sedangkan perpindahan kalor laten terjadi jika terdapat perpindahan massa air dalam proses pengembunan atau penguapan. Karena pada saat uap air mengembun kalor laten harus dilepaskan dari air. Sebaliknya jika air tersebut menguap, maka harus diberikan kalor laten untuk penguapan. Proses ini disebut juga perpindahan massa difusi ilustrasi dapat dilihat pada gambar 2.10
Gambar 2.10 Perpindahan Kalor dan Massa antara Udara dan Muka basah air (W.F. Stoker, at al/ Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi II, Penerbit Airlangga, Jakarta 1987)
Kalor sensibel mengalir dari dalam zat cair ke muka basah (interface). Kemudian kalor juga akan mengalir dari muka basah ke udara. Pada saat yang sama, kalor laten akan terlepas dari muka basah dan berdifusi ke dalam udara. Sehingga besar laju kalor sensibel yang mengalir dari dalam air ke muka basah (qo) akan sama dengan kalor sensibel yang meninggalkan muka basah (qs) ditambah kalor laten yang berdifusi ke dalam udara (qL). qo = qs = qL ........................................................... (2-5) kondisi proses di atas dapat ditunjukkan dalam gambar 2.11 berikut ini :
Gambar 2.11 Profil perpindahan kalor sensibel dan kalor laten pada interface (Cristie J., Transport Process and Unit Operations, second edition, Allyn and Bacon Inc, Boston 1983)
Laju kalor sensibel dari muka air ke udara dapat dihitung dari persamaan perpindahan kalor konveksi.
Dqs = he . (Ti – T2) dA ............................................ (2-6) Dimana : qs
=
laju perpindahan kalor sensibel dari muka air ke udara (Btu/sec )
he
koefisien perpindahan kalor konveksi 0,57 BTU/h.feet2.
= 0
f
A
=
Luas permukaan feet2
Laju perpindahan massa dari muka air ke udara sebanding dengan beda tekanan, (Psi – Psa). Rasio kelembaban campuran udara uap air juga sebanding dengan parsial uap air dalam kondisi jenuh. Sehingga dapat dibuat hubungan kesetimbangan sebagai berikut :
Laju perpindahan massa = K. (Wi – Wa). dA ................(2-7) Dengan : K
= tetapan kesetimbanan, (kg/m2)
Wi
= rasio kelembaban udara jenuh yang sama suhunya dengan permukaan basah.
Wa
= rasio kelembaban udara
Oleh karena perpindahan massa dar atau ke air menyebabkan perpindahan kalor laten (sebagai akibat proses penguapan atau pengembunan), maka : dqL = K. (Wi – Wa).hfg . dA ..................................(2-8) Dimana : qL = laju perpindahan kalor laten, W hfg = entalpi (kalor laten) air pada suhu Ti, (Kj/Kg) perumusan jumlah perpindahan kalor total (sensibel dan laten) pada proses-proses di atas akan lebih mudah dengan menggunakan konsep potensial entalpi. Yaitu perbedaan antara entalpi udara jenuh yang bertemperatur sama dengan muka basah air (hi) dan entalpi udara yang mengalir (ha),
dqt = dqs + dqL
(hi – ha).
.........................................................(2-9)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2-6) dan (2-8) ke dalam persamaan (2-9), maka didapatkan : dqs = he . (Ti – T2) dA + K . hfg . (Wi – Wa). dA .............(2-10)
Dengan mengganti harga, dA = α.dV, dimana α, adalah luas efektif permukaan air persatuan volume menara (ft2 / ft3), maka persamaan di atas menjadi seperti berikut : dqt
= hc (Ti – T2).dA + K hfg (Wi – Wa) . dA ............ (2-11) = [hc α.Ti.dV + K α.hfg . Wi.dV] – [he α.Ta.dV + K. α.hfg . Wa . dV]
atau,
h T hT dq1 = K .α .dV c i + h fg .Wi − c a + h fg .Wa .............(2-12) K K dengan menambah persamaan (2-12) di atas dengan Cs (Ti-Ta) – Cs
J , (Ti – Ta) dimana Cs adalah kalor spesifik udara basah O Kg . K maka didapatkan persamaan berikut. h T hT dq1 = K .α .dV c i + h fg .Wi − c a + h fg .Wa + (C s (Ti − Ta ) − (C s (Ti − Ta )) K K .......... (2-13) hT hT dq1 = K .α .dV c i + h fg .Wi − C s .Ta + C s .Ti − C s .Ta − c a − h fg .Wa K K ......... (2-14a)
dq1 = K .α .dV ( C s .Ti + h fg .Wi ) −
C h .T C h .T C s Ta + h fg .Wa + s c i − C s .Ti − s c i + C s .Ta K .C s K .C s
......... (2-14b)
h h dq1 = K .α .dV ( C s .Ti + h fg .Wi ) − ( C s .Ta + h fg .Wa ) + C s .Ti c − 1 − C s .Ta . c − 1 K .C s K .C s
......... (2-14c) h dq1 = K .α .dV ( Cs .Ti + h fg .Wi ) − ( Cs .Ta + h fg .Wa ) + Cs .(Ti . − Ta ). c − 1 ... (2-14d) K .Cs
Mengingat
( C s .Ta +
bahwa
harga,
( C s .Ti +
h fg .Wi ) = hi
dan
h fg .Wa ) = ha , maka persamaan (2-14d) di atas dapat diubah
dalam bentuk potensial entalpi, sebagai berikut :
(hi-ha).
h dq1 = Kα .dV . ( hi − h2 ) + C s .( Ti − Ta ). c − 1 .............(2-15) K .C s harga
hc , merupakan Lewis Number, dimana untuk air yang K .C s
dikontakkan langsung dengan udara, Lewis Number mendekati 1
atau
hc = 1 , sehingga laju perpindahan kalor total dari muka air ke K .C s
udara adalah : dqt = K .α . (hi − ha ) . dV ......................................................(2-16)
2.2.3.2
Analisa Kesetimbangan Kalor (Energi)
Analisa proses ketika udara bersinggungan dengan air pada temperatur yang berbeda dalam menara pendingin aliran berlawanan
juga dapat dilakukan dengan pendekatan kesetimbangan kalor (energi). Dengan menggunakan asumsi untuk kondisi berikut : •
Sejumlah air yang hilang karena penguapan dianggap tidak mempengaruhi sirkulasi air
•
Sistem kondisi Steady State Steady Flow (SSSF)
•
Total luas permukaan basah mencakup luas permukaan tetesan air dan permukaan basah packing. Jumlah perpindahan kalor total dapat dianalisis dengan volume
deferensial sebuah sistem menara pendingin aliran berlawanan dengan laju aliran massa air, L (lbm/hr), dan laju aliran massa udara, G (lbm/hr), seperti terlihat dalam gambar berikut ini. L kg/det air T
ha+dha dA, Luas
t – det
Volume diferensial
ha G Kg/det udara
Gambar. 2.12. Pertukaran energi dalam volume deferensial aliran berlawanan (W.F. Stoker, et. Al. Refrigerasi dan engkondisian Udara, edisi II, Penerbit Airlangga, Jakarta 1987)
Air termasuk sistem pada temperatur T dan keluar dari sistem pada temperatur sedikit lebih rendah, T – dT. Udara masuk sistem dengan entalpi h dan keluar dari sistem dengan, d + dh. Kesetimbangan energi yang didasarkan atas hukum pertama untuk
aliran tunak keadaan tunak (SSSF) menyatakan, jumlah energi yang masuk sistem sama dengan jumlah energi yang keluar dari sistem. G1.H + L1 . Cp.T = G2 . (h + dh) + L2.Cp + (T – dT) ...................... (2-17) Karena, G1 = G2 dan L1 = L2, maka : L.Cp.dT = G.dH ........................................................................... (2-18) L.Cp.(T1 – T2) = G.(h2 – h1) h2 = h1 + L/G . Cp . (T1 – T2) .........................................................(2-19) Persamaan (2-18) menyatakan bahwa total perpindahan kalor yang dilepaskan oleh air sama dengan besar kalor yang diterima udara.
2.2.4 Nilai Karakteristik Menara Pendingin Analisa
kesetimbangan
kalor
(energi)
di
dalam
menara
pendingin aliran berlawanan menyatakan bahwa laju perpindahan kalor total dari muka air ke udara dipengaruhi oleh potensiao entalpi (hi – ha) antara udara dan muka basah air. Menggabungkan persamaan (2 – 16) dan (2 – 18), didapatkan persamaan berikut : dqt = K.α. (hi – ha) . dV = L.Cp.dT = G. dh atau, K.α. (hi – ha) . dV = L.Cp.dT .........................................................(2-20) Sehingga persamaan di atas menjadi, K .α .dV dT = Cp. .....................................................................(2-21) L hi − h2
dengan
menggunakan
harga
Cp
untuk
air
1
BTU , lbm.O F
dan
mengintegralkan persamaan (2-24) di atas, maka didapat.
∫
v 0
T
2 K .α .dV dT = 1∫ L h − ha T1 i
T
2 K .α .V dT = 1∫ ........................................................................ (2-22) L h − ha T1 i
harga
K .α .V merupakan fungsi dari dinamika aliran udara dan L
dinamika tetesan air dalam menara pendingin, sehingga sulit diselesaikan langsung secara matematis. Namun harga tersebut pada umumnya tetap konstan untuk setiap bagian menara asalkan laju
aliran udara dan laju aliran airnya konstan. Nilain
K .α .V sering L
dinyatakan sebagai Number of Trasfer unit (NTU) atau nilai karakteristik cooling tower. Artinya yang menyatakan suatu ukuran atau besaran peralatan yang diijinkan sehingga proses dapat mencapai kesetimbangan. NTU =
K .α .V = L
∫
T2 T1
dT ........................................................... (2-23) hi − h2
adapun faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik menara pendingin adalah : Temperatur udara luar Rasio laju aliran air dan udara
Jumlah dan tipe packing Prestasi menara dingin yang dinyatakan dalam range dan approach.
Range
adalah perbedaan temperatur air yang masuk menara pendingin dengan temperatur air yang keluar dari menara pendingin.
Approach
adalah perbedaan temperatur antara air yang keluar dari menara pendingin denan temperatur bola basah udara yang masuk menara pendingin.
Ada dua cara untuk menyelesaikan persamaan (2-23) di atas, yaitu dengan metode numerik (tradisional) dan metode steven. Penyelesaian dengan metode numerik, yaitu dengan membagi volume menara pendingin menjadi beberapa bagian volume kecil sesuai dengan kenaikan temperatur. Agar lebih jelas, dapat dilihat visualisasi grafik entalpi-temperatur seperti gambar 2.13, dimana air yang masuk ke dalam menara pada kondisi (Ti in dan hi in) dan keluar dari menara pendingin pada kondisi (Ti out dan hi out). Sedangkan udara yang masuk ke dalam menara pendingin (Ta in dan ha in) dan keluar pada kondisi (Ti out dan hi out). Maka persamaan (2023) dapat diselesaikan seperti berikut. K .α .V = L
∫
Tin Tout
dT hi − ha
K .α .V 1 = ∆ T∑ ( hi − ha ) L
Gambar 2.13 Diagram Aliran Kerja Udara dan Air (W.F. Stoker, et al. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi II, Penerbit Airlangga Jakarta 1987)
∆T
= perbedaan temperatur volume bagian
(hi – ha).m = entalpi driving force
Entalpi driving force adalah perbedaan harga tengah untuk suatu volume bagian. Entalpi driving force inilah yang mengakibatkan terjadinya perpindahan panas sensibel dan panas laten. Sedangkan penyelesaian dengan metode steven adalah dengan bantuan faktor tak berdimensi sebagai fungsi dari variabel entalpi driving force pada kondisi air masuk dan air keluar. Sehingga
visualisasi grafik entalpi temperaturnya adalah seperti gambar 2.14 berikut.
Gambar 2.14 Diagram driving force (hi – ha) (J.L. Therlked, Thermal Environtment Engineering, Prentice Hall Inc, Englewood Cliff, N.J. 1962)
Dari gambar di atas, didapatkan hubungan sebagai berikut : Y1 = hi, in – ha, out Y1 = hi, out – ha, in Ym = hi, m – ha, m ............................................................................(2-24)
Sedangkan faktor tak berdimensi (f) sebagai fungsi dari didapat
dari
diagram
stevens
(gambar
2.15)
Ym Ym , dan Y1 Y1
dengan
cara
mengeplotkan kedua variabel tersebut, sehingga persamaan (2-26) dapat diselesaikan seperti berikut.
K .α .V = L
∫
Ti T2
T − T2 dT = 1 ..........................................................(2-25) hi − ha f .Ym
Gambar 2.15 Diagram Stevens (J.L. Threlked, Thermal Environtment Engineering, Prentice Hall Inc, Englewood Cliff, N.J. 1962)
2.2.5 Analisa Make Up Water Make up water adalah penambahan kebutuhan yang digunakan untuk menggantikan air yang hilang karna adanya proses evaporasi pada menara pendingin, terbawanya air karena hembusan udara atau
drift, dan air yang sengaja dibuang untuk mengurangi endapan yang terjadi atau blowndown. Blowndown diperlukan untuk menjaga sirkulasi air dalam tingkat kelarutan yang sama. Sehingga jumlah air yang ditambahkan adalah : M = E + W + B % ........................................................................(2-26)5 Dimana : M
= Make up water
E
= Kehilangan air karena evaporasi
W
= Kehilangan air karena drift atau “Carried Over Loss”
B
= Kehilangan air karena “Blowdown”
2.2.5.1
Kehilangan Air Karena Evaporasi
Karena adanya perpindahan massa uap air dari muka basah ke udara, akan menyebabkan kehilangan jumlah air yang disirkulasikan akibat penguapan. Hal lain karena dalam menara pendingin udara mengalami proses penjenuhan dan keluar dalam kondisi udara jenuh. Air yang hilang ini dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut : E = G. (W1 – W2) ..........................................................................(2-27) Dimana G
:
= Aliran udara yang melalui udara pendingin
W2 = Rasio kelembaban untuk udara jenuh yang keluar dari menara W1 = Rasio kelembaban untuk udara jenuh yang masuk ke menara 5
Nicholas P. Cheremissinof, Cooling Tower, Selection, Design, and Practice, Michigan 1983)
2.2.5.2
Kehilangan Air Karena Drift
Drift adalah terbuangnya air bersama udara keluar. 100% drift eliminator mencegah air untuk tidak ikut keluar bersama hembusan udara adalah tidak mungkin. Tetapi untuk desain yang baik, sistem akan kehilangan air diperkirakan kurang dari 0.2% dari total air yang disirkulasikan. Kehilangan air akibat hembusan udara bervariasi untuk berbagai tipe menara pendingin dan kondisi lokal. Sebagai perkiraan untuk operasi menara pendingin yang normal biasanya kehilangan air sebesar 0,3 – 1% dari sirkulasi untuk natural draft cooling tower dan 0,1 – 0,3% untuk mechanical draft cooling tower.
2.2.5.3
Kehilangan Air Karena Blowndown
Blowndown adalah sejumlah air yang sengaja dikeluarkan dari menara pendingin untuk mengontrol kadar konsentrasi garam atau kotoran lainnya pada air yang disirkulasikan. Dengan adanya blowndown ini, maka diperlukan adanya air untuk menggantikannya yaitu dengan persamaan berikut : B=
E − W .............................................................................(2-28)6 πc− 1
Dimana : πc = cycle of concentration (harganya bervariasi antara 3 sampai 7) 6
Nicholas P. Cheremissinof., Cooling Tower, Selection, Design and Pactice, Michigan 1983)
B, E, W dalam %.
BAB III ANALISA DAN PERHITUNGAN PERANCANGAN
3.1
Perhitungan Beban Panas dan Kebutuhan Air Pendingin Pada Kondensor Unit Pendingin Perancangan unit pendingin ini digunakan untuk mendinginkan air
pendingin kondensor unit pendingin pada PT. Pakuwon Jati, berkapasitas 300 TR yang melayani kebutuhan penyegaran udara di pertokoan. Prinsip kerja dan instalasi unit pendingin dapat digambarkan seperti gambar 3.1 berikut ini :
Gambar 3.1 Sistem Menara Pendingin dan Chiller
Prinsip Kerja Unit Pendingin : Refrigeran yang berkondisi campuran (uap dan cairan) setelah keluar dari orifice III akan masuk ke evaporator. Disini refrigeran akan mengalami evaporasi hingga berkondisi uap panas lanjut. Kemudian uap refrigeran tersebut dikompresi oleh kompresor 3 tingkat sampai tekanan kondensor. Dalam kondensor uap refregeran dikondensasikan sampai kondisi air jenuh. Selanjutnya cairan refrigeran diekspansikan sampai tekanan evaporator oleh orifice I dan II. Sedangkan ekonomizer disini berfungsi untuk memisahkan fase uap dan cair refrigeran, dan sekaligus sebagai intercooler (pendingin antara) dari kompersor. Dalam sistem unit pendingin ini kapasitas pendinginan yang dikehendaki adalah 1200 TR, yang dilayani oleh 4 buah chiller dengan masing-masing berkapasitas 300 TR.
3.1.1 Kondisi Proses Data-data di lapangan yang ada pada unit pendingin untuk satu chiller adalah sebagai berikut : Untuk refrigerant : •
Jenis Refrigerant, R-11
•
Tekanan kondensor (Pc)
•
Temperatur Evaporator (Tev)
•
Tekanan Evaporator (Pev) = -17 Psig (6,28 Psia)
= 7 Psig (21,696 Psia) = 41OF (5OC)
Untuk air : •
Temperatur masuk kondensor (Tin,c)
= 96OF (35,56OC)
•
Temperatur keluar kondensor (Tout,c)
= 86.0OF (30OC)
Berdasarkan data-data di atas, dengan mengasumsikan sistem dalam unit pendingin ideal, maka proses yang terjadi pada sebuah chiller unit pendingin dapat dilihat pada gambar 3.2 di bawah ini.
Gambar 3.2 Diagram P – H
Harga-harga untuk setiap titik dalam diagram P-h di atas dapat dilihat dalam tabel 3.1 berikut ini : Tabel 3.1 Kondisi proses tiap titik dengan diagram P – h Point
T(OF)
P(Psia)
S(BTU/lbm.oF)
h(BTU/lbm)
1
32,2
6,28
-
19,0595
2
41
6,28
0,195
97,75
Uap panas lanjut
3
65
9,494
0,195
100,35
Uap panas lanjut
4
85
14,352
0,1935
102,95
Uap panas lanjut
5
106
21,696
0,192
105,25
Uap panas lanjut
6
95,6
21,696
-
27,7046
Cair Jenuh
7
73,8
14,352
-
23,2103
Cair Jenuh
7a
73,8
14,352
-
27,7046
Campuran
7b
73,8
14,352
-
100,8299
Uap jenuh
7c
83
14,352
-
102,8273
Uap panas lanjut
8
53,5
9,494
-
19,0595
Cair Jenuh
8a
53,5
9,494
-
23,2103
Campuran
8b
53,5
9,494
-
98,4288
Uap jenuh
8c
63,5
9,494
-
100,2495
Uap panas lanjut
Kondisi Campuran
3.1.2 Perhitungan Beban Panas Pada Kondensor Dari kondisi-kondisi di atas, dapat ditentukan laju aliran massa R-11 pada masing-masing chiller unit pendingin dimana chiller yang satu dengan yang lain tidak berbeda. Yaitu dengan perhitungan sebagai berikut: Untuk : m1 = m2 = m3 = m8 , didapat dari : Qev = m1.qev m1 =
Qev h2 − h1
200 BTU / min 300TR . = 762,46 lbm min 1TR (97,75 − 19,06) BTU / lbm
=
Untuk : m8a dan m8b, didapat dari tingkat kualitasnya.
H8a = (1 – x) h8 + h8b h8 a − hr (23,2103 − 19,0595) BTU lbm = h8b − hr (98,4288 − 19,0595) BTU lbm
x=
= 0,0523 maka didapat : m8
= (1 – x) m8a
m8a
=
m8b
= x. m8a
m8 762,48 lbm min = ⇒ m8 a = 804,556 lbm min (1 − x) (1 − 0,0523)
= 0,05 x 804,556 lbm/min = 42,076 lbm/min Chek I : Persamaan kesetimbangan kalor pada ekonomiser 2 : 8b m8a.h8a = m8.h8 + m8b.h8b
8a 804,665
8 /min . 23,2103
lbm
/lbm = 762,48
BTU
/min . 19,0595
lbm
/min . 98,4288 BTU/lbm.
lbm
18673,986 BTU/lbm ≅ 18673,978 BTU/lbm
/lbm + 42,076
BTU
Untuk : m7 = m8a = 804,556 lbm/min Untuk : m7 = m7b, didapat dari tingkat kualitasnya, yaitu : h7a
= (1 – x) h7 + h7b
x
=
h7 a − h7 h7 b − h7
=
(27,7046 − 23,2103) BTU lbm = 0,0579 (100,8299 − 23,2103) BTU lbm
maka didapat : m7
= (1 – x) m7a
m7a =
=
m7 (1 − x) 804,556 lbm min = 854,004 lbm min 1 − 0,0579
m7a = x . m7a = 0,056 . 854,004 lbm/min = 49,4482 lbm/min
Chek II : Persamaan kesetimbangan kalor pada ekonomiser 1 : 7b m7a.h7a = m7b.h7b + m7.h7
7a
7
854,004
/min . 27,7046
lbm
/lbm = 49,4482
BTU
/min . 100,829
lbm
/lbm +
BTU
804,556 lbm/min . 23,2103 BTU/lbm. 23659,839 BTU/lbm ≅ 23659,843 BTU/lbm Untuk : m6 = m5 = m7c = m7a, = 854,004 lbm/min Untuk : m4, didapat dari :
Kesetimbangan kalornya yaitu : m7a.h7a = m7b.h7b + m7.h7 7c
4 m4 7b =
=
m7 c .h7 c − m7 b .h7 b h4
854,004.102,8273 − 49,4482.100,8299 BTU min 102,95 BTU lbm
= 804,556 lbm/min
Untuk : m8c = m4 = 804,556 lbm/min Untuk : m3 didapat dari : Kesetimbangan kalornya yaitu : M8a.h8a = m3.h3 + m8b.h8b 8c
3 M3 8b =
=
m8c .h8c − m8b .h8b h3
804,556.100,2495 − 42,076.98,4288 BTU min 100,35 BTU lbm
= 762,48 lbm/min
Sehingga panas yang dilepaskan refrigeran dalam kondensor dapat dicari dengan persamaan berikut : Qc
= m5 . (h5 – h6) = 854,004 . lbm/min (105,25-27,7046) . BTU/lbm = 66224,08 BTU/lbm secara praktis, pada kenyatannya panas yang dilepas refrigeran
lebih besar 5% - 10% dari perhitungan teoritis. Dalam perhitungan ini diambil toleransi 10%, sehingga panas aktual yang dilepas refrigeran adalah :
Qca
= Qc . 110% = 66224,08 BTU/min . 110% = 72846,49 BTU/min
3.1.3 Perhitungan Kebutuhan Air Pada Kondensor Dari data pada temperatur air masuk dan keluar kondensor diketahui bahwa kenaikan temperatur air pendingin yang melewati kondensor (∆T) adalah 10oF. Sehingga besarnya kebutuhan air pendingin dapat dihitung dengan cara sebagai berikut : Qca = mL . CPair . (∆T) Dimana : ML
= laju aliran massa air
CPair
= kalor spesifik air = 0,988 BTU/lbmoF ≈ 1 BTU/lbmoF
Sehingga didapat : mL =
=
Qca C pair (∆ T ) 72846,49 BTU min = 7284,649 lbm/min 1 BTU min 0 F (10 0 F )
(karena panas yang digunakan aktual, maka air dianggap aktual) Maka besarnya laju volume air yang melewati kondensor (QL) adalah: QL = 7284.649 lbm/min . 1 gal/8,33 lbm = 874,5 gal/min
Karena sistem pendingin udara ini secara keseluruhan menggunakan 4 buah chiller (4 buah kondensor) dan 3 buah menara pendingin, maka laju aliran volume air yang melalui setiap menara pendingin adalah : QCT = 874,5 Gpm . 4/3 = 1166 Gpm
3.2
Analisa Perancangan Menara Pendingin Aliran Berlawanan
3.2.1 Data-data Perancangan Dari data di lapangan dan hasil perhitungan pada sub bab 3.1 didapatkan data-data sebagai berikut :
Kondisi air pada Menara Pendingin : Temperatur air masuk (Ti, in)
= 96OF
Temperatur air keluar (Ti, out)
= 86OF
Laju aliran volume air (L)
= 1166 GPM
Kondisi Udara di sekitar Menara Pendingin Temperatur Bola Basah (Twb)
= 80OF
Temperatur Bola Kering (Tdb)
= 90OF
Entalpi udara masuk Menara Pendingin pada umumnya sama dengan temperatur bola basahnya, sehingga dari tabel psikometri didapat: Ha,in = 43,69 BTU/lbm
Dari data di atas maka, Prestasi menara pendingin : Range Pendingin
= 10OF
Approach (hampiran)
= 5OF
Rasio Laju Aliran Air dan Udara (L/G) Untuk menentukan nilai L/G adalah dengan menggunakan diagram perhitungan faktor
K.αV
/L, gambar 3.3, dimana terdapat hubungan antara
range pendinginan (cooling range), temperatur air keluar (cold water), dan temperature bola basah (wet bulb). Dari diagram tersebut dengan menarik garis melalui titik “cooling range-cold water” secara pararel dengan garis
“wet bulb-cold water” didapat nilai L/G sebesar 1,48 dan nilai
/L dalam
K.α.V
range 1,0 – 2,0.
Gambar 3.3 Diagram perhitungan faktor K.α.V/L
3.2.2 Perhitungan Nilai Karakteristik Menara Pendingin 3.2.2.1
Perhitungan dengan Metode Numerik
Perhitungan dengan metode numerik adalah dengan membagi volume menara pendingin menjadi beberapa bagian volume kecil sesuai dengan kenaikan temperatur. Dalam hal ini menara pendingin dibagi menjadi 11 bagian (seperti terlihat pada gambar 3.4), dengan kenaikan tempareatur
1OF.
Analisa
untuk
menggunakan persamaan (2-19).
h1 = hO + L/G . CP (T1 – T0)
setiap
bagian
volume
dengan
Dengan menggunakan harga (lampiran 8), maka persamaan di atas menjadi : h1 = hO + L/G . (T1 – T0)
Gambar 3.4 Distribusi temperatur dalam Volume
Bagian (0 – 1) : h1 = ha + L/G . (T1 – T0) = 43,69 BTU/lbm + 1,48 (87 – 86) = 45,17 BTU/lbm
Entalpi udara rata-rata di bagian ini adalah : h1 + h2 ha = 2 45,17 + 43,69 = 2
/lbm = 44,43 BTU/lbm
BTU
sedangkan temperatur air rata-rata pada bagian (0 – 1) ini adalah : 45,17 + 43,69 2
F = 86,5 OF
O
sehingga dari table psikometri, entalpi udara jenuh pada temperatur 86,5OF adalah : hi = 51,295 BTU/lbm maka harga entalpi driving forcenya adalah : (hi – ha) = 6,865 BTU/lbm dan harga
1 =0,14567 BTU/lbm (h1 − h2 ) m
dengan cara yang sama untuk setiap bagian volume differensial, dapat ditulis dalam tabel sebagai berikut :
Tabel 3.2 : Hasil Perhitunan Entalpi Driving Force Untuk Setiap Volume Bagian Bagian 0–1 1–2 2–3 3–4 4–5 5–6 6–7 7–8 8–9 9 – 10
Suhu Tengah (96O) 86,5 87,5 88,5 89,9 90,5 9,5 92,5 93,5 94,5 95,5
ha ( /lbm) 44,43 45,91 47,39 48,97 50,35 51,83 53,31 54,79 56,27 57,75 BTU
hi ( /lbm) 21,295 52,58 53,895 55,245 56,63 58,055 59,515 61,01 62,545 64,12 BTU
(hi- ha) m (BTU/lbm) 6,865 6,67 6,505 6,375 6,28 6,225 6,205 6,22 6,275 6,37
1 (hi − ha )m 0,14567 0,14993 0,15373 0,15686 0,15924 0,16064 0,16116 0,16077 0,15936 0,15669
Σ = 1,56434 Dari persamaan (2-27), nilai karakteristik menara pendingin K.α.V/L didapat
K.α.V
/L = ∆ T .Σ
1 (hi − h2 ) m
= 1 x 1,56434 = 1,56434 Nilai K.α.V/L = 1,56434, masih dalam range 1,0 – 2,0
3.2.2.2
Perhitungan dengan Metode Steven
Dari data-data perancangan dapat diplotkan dalam diagram entalpi temperatur, dalam bentuk skema variasi (hi – ha), seperti gambar 3.5 berikut ini :
Gambar 3.5 Sekma Variasi (hi – ha)
Dari persamaan (2-22) didapat hHi = ho + L/G . CP (T1 – T0)
Untuk garis kerja udara, ho = ha.in dan ho = ha.out, maka : ha.out
= ha.in + L/G . CP (Ti.in – Ti.out) = 43,69 BTU/lbm + 1,481 . 1 BTU/lbm0F (96 – 86)0F = 58,49 BTU/lbm
Sedangkan dari persamaan (2-28), untuk variabel entalpi driving force, didapat : Y1
= hi.in – ha.out = 64,92 BTU/lbm – 58,49 BTU/lbm = 6,43 BTU/lbm
Y2
= hi.out – ha.in = 50,66 BTU/lbm – 43,69 BTU/lbm = 6,97 BTU/lbm
Ym
= hi.m – ha.m = 57,33 BTU/lbm – 51,09 BTU/lbm = 6,24 BTU/lbm
Maka : Ym 6,24 BTU lbm = = 0.97 Y1 6,43 BTU lbm
dan
Ym 6,24 BTU lbm = = 0.895 Y2 6,97 BTU lbm
Dari diagram Steven gambar 2.15, didapat nilai faktor tak berdimensi f sebesar 1.025. Sehingga
nilai
karakteristik
persamaan (2-25), adalah : K .α .V = L =
∫
T − T2 dT = 1 T2 h − h f .Ym 1 a T1
(96 − 86) = 1,56348 1,025.6,24
menara
pendingin
didapat
dari
Sehingga
dari
kedua
penyelesaian
di
atas,
didapat
nilai
karakteristik menara pendingin sebesar 1,56 dimana masih terdapat dalam range 1-2.
3.2.3 Perancangan Fill (Packing) dan Tinggi Packed Menara Bagian terpenting dari menara pendingin adalah fill atau packing. Karena berfungsi sebagai tempat terjadinya kontak langsung udara dan air sehingga terjadi proses perpindahan kalor sensibel dan kalor laten.
3.2.3.1
Jumlah Packing
Persamaan (2-2) memberikan hubungan antara nilai karakteristik menara pendingin, jumlah packing (N), dan rasio laju aliran air dan udara (L/G). Harga faktor konstanta A’ dan n’ dapat dilihat pada tabel 2.1, sesuai dengan tipe packing yang digunakan. Jika direncanakan menggunakan tipe packing H, maka harga faktor A’ an n” berdasarkan tabel 2.1 berturut-turut adalah 0,127 dan 0,47. Sehingga didapat jumlah packing yang digunakan adalah :
K.αV
N
/L
= .0,07 + A’N’ (L/G)-n∗ =
1,56 − 0,07 0,127.(1,48) − 0, 47
= 14,1 (dipakai 14 buah packing).
Ernest Ludwig, Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants, volume 2, London 1984
3.2.3.2
Tinggi Packed Menara Pendingin
Untuk menentukan tinggi packed menara perlu diketahui terlebih dahulu jumlah packing yang diperlukan (N) dan besarnya vertical spacing (S) dari packing. Vertical spacing dari berbagai tipe packing dapat dilihat pada gambar 2.8. Untuk packing tipe H mempunyai vertical spacing 24 inch, sehingga tinggi packed menara pendingin+ adalah :
H = (N – 1) S/12 = (14 – 1) 24/12 = 26 ft
Tinggi packed ini dalam pelaksanaannya disesuaikan dengan penempatan
menara
pendingin,
dengan
acuan
dasar
kedudukan
kondensor. Bila menara ditempatkan di atas gedung, sedangkan kondensor diletakkan pada lantai bawah, maka tinggi menara adalah tinggi packed dikurangi dengan ketinggian gedung tersebut. Karena menara pendingin ini dalam operasionalnya ditempatkan di atas gedung pertokoan dengan ketinggian 4,2 m dari lantai tempat kondensor, maka didapatkan tinggi menara adalah : Tinggi menara pendingin
= Packed menara – tinggi gedung = 26ft – 13,78 ft
= 12,22 ft
Ernest Ludwig, Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants, volume 2, London 1984
3.2.4 Penentuan Luasan Dasar Pritchard telah menggambarkan pada kurva estimasi, bahwa untuk ketinggian packed menara yang bervariasi dari 12 sampai 40ft, luasan tanah yang ekonomis untuk laju aliran massa udara perjam persatuan luasan penampang menara (G’) adalah antara 1400 – 2000 (lb/jam.ft 2) berturut-turut yang dianggap sebagai fungsi garis lurus. Sehingga untuk mendapatkan harga G’ dapat dilakukan interpolasi diantara harga-harga tersebut di atas 40 − 12 2000 − 1400 = 40 − 26 X X = 300 Maka G’ = 1400 + X = 1400 + 300 = 1700 lbm/h.ft2
Dengan telah diketahuinya harga L/G = 1,48, maka laju aliran massa air perjam persatuan luasan penampang menara (L’) adalah : /G = L/G
L’
L’ = 1,48 . 1700 lbm/h.ft2
Sedangkan laju aliran massa air yang melewati menara (L) adalah L = 1166 GPM = 1166 GPM . (8,33 lbm/Gal) (60 m/h) = 582766,8 lbm/h
Sehingga luasan tanah yang diperlukan untuk 1 unit menara pendingin adalah : ST = L/L 582766,8 lbm h = 231,624 ft 2 = 2516 lbm h
Luasan tanah ini juga sama dengan luas penampang menara. Dengan demikian diameter menara pendingin tersebut adalah 17,173 ft.
3.2.5 Perhitungan Kerugian Tekanan (Pressure Drop) 3.2.5.1
Pressure Drop Pada Packing
Pressure Drop yang terjadi pada packing dalam menara pendingin aliran berlawanan dapat dihitung dengan persamaan (2-5). 0.0675 0.675 + N ' C" S F LG E 2 ∆ P = N ' BGa2 ρG ρG Harga faktor-faktor B, C’ dan vertical free fall (SF) dapat dicari pada tabel 2.1, sesuai dengan tipe packing yang digunakan. Untuk tipe H, didapat :
B = 0,075 . 10-8
C = 0,26 . 10-12
SF = 3,64 ft
Sedangkan harga equivalent pressure loss air mass flow (G E) dapat dicari dari gambar 2.7, untuk harga Ga yang telah ditentukan.
Dari pembahasan di atas, diketahui Ga = 1700
/h.ft2, maka dari
lbm
gambar 2.7, didapat (GE) = 4250. Sedangkan massa jenis udara rata-rata (lampiran 7) didapat : •
Untuk kondisi masuk, ρG = 0,070 lbm/ ft3
•
Untuk kondisi keluar, ρG = 0,068 lbm/ ft3
•
Massa jenis rata-rata, ρG = 0,069 lbm/ ft3
Dari data-data di atas, besarnya pressure drop yang terjadi pada packing adalah :
0,0675 0,0675 + 14.0,26.10 − 12. 3,64.2516.4250 2 . ∆ P = 14.0,75.10 − 8.1700 2. 0,069 0,069 = 0,6056 inch H2O
3.2.5.2
Pressure Drop Pada Drift Eliminator
Dari uraian dasar teori menara pendingin, untuk massa jenis udara yang tidak sama dengan 0,0675
/ft3 perlu dilakukan penyesuaian dengan
lbm
menentukan kecepatan udara pada kondisi tersebut. Karena harga pressur drop bervariasi antara 0,01 inch H2O pada Ga = 800 lbm/ft2, dan 0,07 inch H2 pada Ga = 2000 lbm/h.ft2, Vud =
800 lbm h. ft 2 0,0675
lbm
ft 3
(60m)
= 197,53 ft m
Untuk Ga = 2000 lbm/h.ft2,
Vud =
2000 lbm h. ft 2 0,0675
lbm
ft 3
(60m)
= 493,827 ft m
Sedangkan udara yang keluar dari menara pendingin dalam kondisi jenuh dengan temperaturnya 91,8OF dan massa jenis 0,068
/h.ft3, serta
lbm
laju aliran massa udara Ga = 1700 lbm/h.ft2 Sehingga kecepatan udara pada kondisi ini adalah :
Vud =
=
Ga ρ 1700 lbm h. ft 2 0,068 lbm ft 3 (60m)
= 416,67 ft m
Maka besarnya Pressure Drop yang terjadi pada drift eliminator dapat dicari dengan interpolasi.
416,67 − 197,53 ∆ P − 0,01 = 493,827 − 197,53 0,07 − 0,01
∆ P = 0,0544 inch H2O
3.2.5.3
Pressure Drop pada Louver
Telah dijelaskan dalam sub bab 2.2.2.4, bahwa Pressure Drop aliran udara yang melewati louver berdasarkan pada massa jenis udara 0,075
/ft3, yaitu antara 0,02 inch H2O pada kecepatan 400 ft/m dan 0,32
lbm
inch H2O pada 1600 ft/m.
Sedangkan laju aliran volume udara (Qud) yang melewati louver dengan Ga = 1700 lbm/h.ft2 dan luas penampang ST = 231,624 ft2 adalah Ga (lb/h) = 1700 lbm/h.ft2 . 231,624 ft2 = 393760,8 lbm/h
3 393760,8 lbm h = 8752,4 ft m (Qud) = 0,075 lbm ft 3 (60m)
Direncanakan bentuk menara pendingin adalah silinder, dan tinggi louver (t) adalah 2 ft. Maka luas muka louver (SL) adalah sebagai berikut :
Luas Penampang (ST)
= 231,624 ft2
Diameter Menara (D)
=
4 SL π
=
4.231,624 ft 2 = 17,173ft 3,14
±
Sehingga luas permukaan louver (SL) adalah :
ST
=t.π.D = 2 ft . 3,14 . 17,173 ft = 107,9 ft2
Dari persamaan (2-4) kecepatan udara melalui louver adalah V =
Qud SL
Ernest Ludwig, Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants, volume 2, London 1984
3
87502, ft m = 810,95 ft m = 2 107,9 ft Sehingga besarnya pressure drop udara yang melewati louver dapat dicari dengan interpolasi 810,95 − 400 ∆ P − 0,02 = 1600 − 400 0,32 − 0,02 ∆P = 0,1227 inch H2O Dari hasil (perhitungan Pressure Drop pada ketiga bagian tersebut, didapatkan jumlah total Pressure Drop pada menara pendingin (∆Ptot) adalah : ∆P
= ∆PP + ∆Pd + ∆PL = 0,6065 inch H2O + 0,0544 inch H2O + 0,1227 inch H2O = 0,7827 inch H2O
3.2.6 Perhitungan Daya dan Diameter Fan 3.2.6.1
Daya Fan
Daya fan yang digunakan untuk menggerakkan kipas pada menara pendingin dipengaruhi oleh laju aliran volume udara yang melewati fan dan kerugian tekanan (Pressure Drop) udara ketika melewati menara pendingin. Besarnya daya fan yang digunakan dapat dicara dari persamaan berikut : BHP =
Qud .∆ Ptot 6356.η p
δ
Ernest Ludwig, Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants, volume 2, London 1984
dimana : Qud
= laju aliran volume udara
∆P
= total Pressure Drop (inch H2O)
ηP
= efisiensi propeller, 80%
Laju aliran volume didapat dari hubungan berikut : Qud =
Ga
( ) lbm jam
ρ G .60m
Massa jenis udara yang melalui fan pada temperatur 91,8OF adalah 0,068 lbm/ft3 Qud =
393760,8 lbm h 0,068 lbm ft 3 .60m
= 96510
ft 3
m
sehingga daya fan yang diperlukan adalah : BHP = 96510
ft 3 0,7827inchH 2 O . (6356).0,80 m
= 14,86 HP Maka dipilih fan dengan daya sebesar 15 HP
3.2.6.2
Diameter Fan
Kecepatan udara yang melalui fan mempunyai range dari 1200 sampai 2500 ft/m. Sedangkan untuk desain yang ekonomis, kecepatannya sekitara 1800 ft/m. Sehingga didapat hubungan sebagai berikut : Qud = Af . v °
Nicholas P. Cheremissinof, Cooling Tower, Selection, Design, and Practice, Michigan 1983)
Dimana : Qud
= laju aliran volume udara ft3/m
Af
= luas penampang fan (ft2)
v
= kecepatan udara untuk desain ekonomis, 1800 ft/m.
Maka, Af =
96510 = 53,6 ft 2 1800
sehingga diameter fan didapat Df =
=
4. Af π 4.53,6 ft 2 = 8,26 ft 3,14
3.2.7 Analisa Make Up Water Make-up water adalah penambahan kebutuhan yang digunakan untuk menggantikan air yang hilang karena adanya proses evaporasi pada menara pendingin (E), terbawanya air karena hembusan udara atau drift (W) dan air yang sengaja dibuang untuk mengurangi endapan yang tejadi atau blowdown (B). sehingga jumlah air yang ditambahkan adalah : M = E + W + B% 3.2.7.1
Kehilangan Air Karena Evaporasi
Air yang hilang ini dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut : C = G (W2 = W1)
Dari tabel psikometri, untuk udara jenuh yang keluar menara pada T = 91,8OF mempunyai rasio kelembaban W2 = 0,033086. Sedangkan untuk kondisi masuk dengan T = 80 0F mempunyai W1 = 0,02233. untuk aliran udara melalui menara pendingin dengan G = 787,84 GPM, maka didapat : E
= 787,84 (0,02233) GPM = 8,474 GPM
Sedangkan total air yang disirkulasikan L = 166 GPM, maka E
8,474 .100% 1166
=
= 0,727%
3.2.7.2
Kehilangan Air Karena Drift
Dalam perancangan ini diperkirakan kehilangan air karena drift pada eliminator adalah 0,2 % dari total sirkulasi air. Karena air yang disirkulasikan sebesar 1166 GPM, maka kehilangan air karena drift (W) adalah : W
= 0,2%. 116 GPM = 2,3 GPM
3.2.7.3
Kehilangan Air Karena Blow Down
Dalam perancangan ini diambil nilai πc = 3, maka kehilangan air akibat blowdown sebesar : B
=
0,727% − 0,2 % 3− 1
= 0,1635 % atau
B
= 0,1635 % . 1166 GPM = 1,9 GPM
3.2.7.4
Total Make Up Water yang Diperlukan
Dari perhitungan di atas, jumlah air yang harus ditambahkan dalam sirkulasi air pada menara pendingin adalah sejumlah air yang hilang akibat evaporasi, drift, dan blowdon tersebut di atas. Jumlah total make up water yang diperlukan adalah : M
=E+W+B = (0,727 + 0,2 + 0,1635) % = 12,715 GPM
BAB IV DATA HASIL PERANCANGAN DAN PEMILIHAN MENARA PENDINGIN
4.1. Data Hasil Perancangan Dari data di lapangan dan hasil perhitungan bab-bab terdahulu, didapatkan dimensi menara pendingin dan instalasinya adalah sebagai : 1. Menara Pendingin (Cooling Tower) •
Beban pendinginan air
= 1166 GPM
•
Tinggi menara
= 12,22 ft
•
Diameter menara
= 17,173 ft
•
Luasan dasar
= 231,62 ft2
•
K .α .V Nilai Karakteristik Menara L
= 1,56
•
Rasio laju aliran udara
= 1,48
2. Packing •
Tipe
= “H”
•
Jumlah
= 14 buah
•
Diameter
= 17,173 ft
•
Bahan
= PVC
3. Louver •
Bentuk
= Kisi-kisi
•
Tinggi
= 2 ft
•
Luas muka
= 107,9 ft
•
Jenis kipas
= Propeller
•
Diameter
= 8,26 ft
•
Daya motor
= 14,8 HP = 15
4. Fan
HP 5. Make up water Karena menara pendingin digunakan untuk melayani kebutuhan air pendingin kondensor unit pendingin, maka laju aliran volume air harus dijaga konstan. Untuk itu harus ada make up water sebesar 12, 175 GPM atau sebesar 1,02 % dari total sirkulasi air yang langsung dari PDAM atau sumber lainnya. Dari data hasil perancangan dimensi menara pendingin di atas akan dijadikan acuan pada saat pemilihan menara pendingin, dengan mencari menara pendingin yang mendekati dengan nilai-nilai tersebut.
4.2. Pemilihan Menara Pendingin Menara pendingin di desain dan dibuat dalam berbagai macam ukuran dan konfigurasi, untuk mengenal dan memahami tentang perbedaan konfigurasi dan keuntungan dan keterbatasannya dari masingmasing menara pendingin adalah sangat penting untuk menentukan solusi terbaik bagi pengguna akhir ditinjau dari segi biaya yang dikeluarkan.
Menara pendingin didesain menjadi dua konfigurasi yang berbeda, counterflow dan crossflow. Spesifikasi dari konfigurasi itu mengindikasikan arah dari lairan udara melalui menara relatif terhadap arah dari aliran air. Sistem distribusi air dan udara didesain secara bersamaan, di mana masing-masing mempunyai pernan penting dalam menentukan efisiensi dan pemakaian menara pendingin yang sesuai. Efisiensi menara pendingin secara keseluruhan secara langsung berhubungan dengan desain dari sistem distribusi air panas dari menara tersebut. Hal yang paling utama sebagai pertimbangan dalam pemilihan type dari sistem distribusi air panas adalah head pompa. Menara pendingin jenis conterflow biasanya menggunakan spray nozzle tekanan tinggi untuk sistem distribusi panasnya supaya air dapat melingkupi fill. Performa dari menara pendingin juga berhubungan dengan banyaknya pergerakan udara melalui menara dan terjadinya kontak langsung dengan air. Dalam menara pendingir counterflow udara bergerak secara vertikal dari bawah ke atas melewati fill dan berlawanan dengan air yang jatuh dari atas ke bawah. Konfigurasi seperti ini, selama ukuran air yang jatuh dari spray nozzles sesuai maka menghasilkan menara pendingin jenis counterflow menjadi lebih efisiensi dalam penggunaan udara. Dalam perencanaan di bab terdahulu kita memilih menara pendingin jenis counterflow dikarenakan faktor-faktor : •
Menara pendingin jenis counter flow tidak membutuhkan tempat yang terlalu luas.
•
Efisiensi yang tinggi, karena persinggungan air panas dan udara lebih lama.
•
Kerugian karena evaporasi lebih sedikit.
•
Karena letak dari menara ini di atas gedung sehingga faktor icing sangat diperhatikan. Pemilihan tipe menara pendingin aliran berlawanan, didasarkan
pada temperatur air masuk dan keluar menara, temperatur bola basah udara masuk, range pendinginan, dan laju aliran volume air (GPM). Dari data dan hasil perhitungan pada bab terdahulu, didapatkan : •
Temperatur bola basah (Twb)
•
Range pendinginan
•
Temperatur air masuk (Tin)
: 960F
•
Temperatur air keluar (Tout)
: 860F
•
Laju aliran volume air
: 1166 GPM
: 800F : 100F
Fengan menggunakan daftar pemilihan tipe menara pendingin aliran berlawanan yang dikeluarkan oleh pihak LIANG CHI Co. LTF (lampiran 8), maka tipe menara pendingin yang sesuai dengan ketentuan di atas adalah, COUNTER FLOW INDUCED DRAFT TOWER MODEL LABC-500. Tipe LBC – 500 ini mempunyai spesifikasi ukuran sebagai acuan perbandingan dalam analisa perancangan menara pendingin ini. Spesifikasi menara pendingin model LBC – 500 : •
Laju aliran volume air
: 1197 GPM
•
Tinggi total menara (H)
: 3890 mm : 12,762 ft
•
Diameter menara (D)
: 5580 mm : 18,307 ft
•
Daya fan
: 15 HP
•
Diameter fan
: 3000 mm : 9,842 ft
4.3. Pengontrolan Kualitas Air Hampir
semua
cooling
tower
yang
dikelola
dengan
baik
menggunakan sistem perawatan kualitas air. Pada umumnya, telah dimengerti bahwa rintangan seperti korosi, kerak dan substansi lain yang yang terbawa air pendingin akan dihasilkan pada cooling tower tipe terbuka menggunakan cooling water concentrated. Untuk cooling tower type tertutup, mungkin kita berpikir bahwa air secara keseluruhan tertutup dari udara luar dan berarti tidak ada rintangan yang terjadi. Dalam hal sirkulasi air mungkin benar tetapi kontak antara air yang terpancar dengan udara luar akan memungkinkan terjadinya konsentrat air yang terbawa pada aliran sirkulasi menara pendingin. Untuk menghindari rintangan tersebut diperlukan blow down pada air yang terpancar pada sistem cooling tower tipe tertutup. Blow down merupakan istilah air yang dibuang dari air sirkulasi pada menara pendingin untuk mengurangi terbentuknya kontaminan pada menara pendingin. Seperti diketahui, bahwa ketika evaporasi terjadi kontaninan air seperti larutan padat terbentuk di air. Dengan blow down dan penambahan air baru dari make up water pembentukan larutan padat pada menara, kondensor dapat dikurangi.
Pengontrolan konsentrasi larutan sangat penting untuk menjaga sirkulasi air pendingin dan menjaga cooling tower tetap bekerja dengan kondisi yang baik. Untuk referensi, di Jepang ada standard yang dipakai untuk mengontrol kualitas air (JRA-GL-02-1994) seperti di bawah ini : Kriteri kualitas air pendingin (JRA-GL-02-1994) 1. Air Sirkulasi Items Items to be controlled
Reference items
pH (pada 250C) Electric conductivity (us/cm) Chloride ion (mg Cl/I) Sulfate ion (mg SO43-/I Total hardness (mg CaCO3/I) Iron (mg Fe / I) Copper (mg Cu/I) Sulfide ion (mg S2-/I) Ammonium ion (mg NH4+/I)
Value 6.5 - 8.5 < 800 < 200 < 200 < 200 < 1.0 < 0.3 Not Detective < 0.2
Tendency Corrosions Scale • • • • • • • •
• •
• •
2. Make-up Water atau air tambahan Items Items to be controlled
Reference items
pH (pada 250C) Electric conductivity (us/cm) Chloride ion (mg Cl/I) Sulfate ion (mg SO43-/I Total hardness (mg CaCO3/I) Iron (mg Fe / I) Copper (mg Cu/I) Sulfide ion (mg S2-/I) Ammonium ion (mg NH4+/I)
Value 6.5 - 8.5 < 30 < 50 < 50 < 70 < 0.3 < 0.1 Not Detective < 0.1
Tendency Corrosions Scale • • • • • • • •
• •
• •
Tumbuhan biologis, kerak dan korosi merupakan hal utama yang harus dipertimbangkan dalam perawatan menara pendingin, perawatan dengan penggunaan larutan kimia murupakan suatu bentuk perawatan terhadap menara pendingin yang sering digunakan, walaupun timbul dampak lain
terhadap lingkungan. Dewasa ini banyak digunakan sistem ozon treatment untuk menjaga kualitas dari air.
4.4. Analisa Beban Kalor Dari peninjauan terhadap beban kalor didapatkan : Kalor pembebanan mesin refrigerasi
: 4370789,4 Btu/hr
Kapasitas penyerapan Menara Pendingin
: 5830000 Btu/hr
Kapasitas penyerapan menara pendingin yang lebih besar dari pembebanan kalor mesin refrigerasi memenuhi persyaratan teknis agar seluruh panas pembebanan maksimal dapat diserap oleh menara pendingin. Kapasitas penyerapan menara pendingin > kalor pembebanan mesin refrigrasi.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1.
Data Hasil Perancangan Dari hasil dan perhitungan bab-bab terdahulu, dapat ditarik
beberapa kesimpulan 1. Ukuran dari menara pendingin merupakan fungsi dari range pendinginan, approach, aliran massa udara, temperatur bola basah, kecepatan udara melalui menara dan ketinggian menara. 2. Cooling range
dan cooling approach dari temperatur air yang
meninggalkan menara pendingin terhadap temperatur bola basah udara sekitar merupakan hal paling penting dalam menentukan ukuran dan biaya cooling tower. 3. Dalam desain menara pendingin perlu dipertimbangkan tentang keoptimalan dalam proses desain dan operasionalnya. 4. Mengingat biaya energi cukup mahal, maka sebaiknya harus berhatihati dalam pemilihan menara pendingin agar biaya operasional relatif tidak tinggi. 5. Penempatan menara pendingin harus memperhitungkan agar aliran udara dapat mengalir bebas dan tidak kembali ke arah inlet dari udara tersebut.
6. Pengontrolan kualitas air sangat penting untuk mencegah timbulnya mikrobiologi atau kerak yang akan menurunkan efisiensi menara pendingin.
5.2.
Saran
1. Dalam proses pemilihan menara pendingin harus dimengerti kondisi desain lingkungan dan beban pendinginannya. 2. Untuk menentukan tipe atau jenis dari menara pendingin harus melihat kelebihan dan keuntungan dari masing-masing tipe menara pendingin disesuaikan dengan tujuan yang ingin dicapai. 3. Perlu pengkajian lebih lanjut dari segi teknik maupun biaya, dalam pemeilihan menara pendingin agar dapat dicapai hasil yang optimal dan menguntungkan dari sisi biaya yang dikeluarkan.
