Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
REVITALISASI SISTEM PENDINGIN EVAPORATOR TIPE COOLING TOWER Budiyono, Sugianto Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN
ABSTRAK REVITALISASI SISTEM PENDINGIN EVAPORATOR TIPE COOLING TOWER. Telah dilakukan revitalisasi pada sistem pendingin evaporator tipe cooling tower. Sistem pendinginan evaporator menggunakan pendingin air. Air pendingin disalurkan ke cooler evaporator dan setelah mengambil panas evaporator, air tersebut dikeluarkan dari condenser untuk disirkulasikan ke heat exchanger. Air dingin keluaran heat exchanger dikembalikan ke cooler evaporator. Air panas keluaran heat exchanger disirkulasikan ke cooling tower untuk didinginkan dengan udara. Permasalahannya adalah kapasitas operasi peralatan tidak optimal. Untuk itu dilakukan revitalisasi peralatan. Revitalisasi dilakukan dengan memperbaiki yang rusak dan memelihara peralatan untuk memperpanjang umur pakai. Revitalisasi berhasil menaikkan cooling range cooling tower 62101 A dari 4,5 oC ke 5 oC sedangkan cooling tower 62101 B dari 1 oC ke 5 o C. Revitalisasi telah berhasil menurunkan approach cooling tower 62101 A dari 4,8 oC ke 4,2 oC sedangkan cooling tower 62101 B turun dari 7 oC ke 4,3 oC. Revitalisasi berhasil meningkatkan efektivitas cooling tower 62101 A dari 48% ke 54% sedangkan cooling tower 62101 B meningkat dari 13% ke 54%. Meningkatnya efektivitas berarti bahwa penukar panas bekerja semakin baik dan efektif. ABSTRACT REVITALIZATION OF COOLING TOWER TYPE COOLING SYSTEM OF THE EVAPORATOR. Revitalization has been done on cooling tower type cooling system of evaporator. Evaporator cooling system uses water as coolant. Cooling water supplied to the evaporator cooler and after taking heat from the evaporator, the water is removed from the condenser and circulated to a heat exchanger. Cold water from the heat exchanger output is returned to the evaporator cooler. Hot water from the output of the heat exchanger is circulated to the cooling tower to be cooled with air. The problem that occured is the equipment was not in optimal operating capacity. Therefore, it is necessary to revitalize the equipment. Revitalization is done by repairing the damage parts and maintaining the equipment to extend their life. The revitalization was successfully raise the cooling capacity of the cooling tower 62101A from initial value of 4.5oC to 5oC, and for cooling tower 62101 B the value raised from 1oC to 5oC. The revitalization has been successfully reduced the approach value of cooling tower 62101A from value of 4.8°C to 4.2°C and for cooling tower 62101B the value reduced from 7oC to 4.3oC. The revitalization successfully increased the effectiveness of the cooling tower 62101A from 48% to 54%, while for the cooling tower 62101 B, the value increased from 13% to 54%. Increase in effectiveness means that the heat exchanger works better and effective. Keywords: revitalization, cooling, evaporator
PENDAHULUAN Dalam proses evaporasi, dibutuhkan media untuk mendinginkan destilat hasil evaporasi. Kapasitas pendinginan disyaratkan suhu masuk cooler evaporasi 32 oC dan suhu keluar kondenser 42 oC. Untuk memenuhi persyaratan tersebut digunakan unit pendingin sistem tertutup dengan menggunakan cooling tower. Cooling tower pendukung operasi pengolahan limbah mempunyai kemampuan
837
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
menurunkan suhu dari 42 oC menjadi 32 oC. Persyaratan lainnya adalah PH air 4 – 9, kandungan khlor lebih kecil dari 100 mg/l dan flowrate 120m3/jam. Metode pendinginan evaporator adalah menggunakan pendingin air. Air pendingin disalurkan ke cooler evaporator dan air yang telah mengambil panas dikeluarkan dari condenser disirkulasikan ke heat exchanger. Air dingin keluaran heat exchanger dikembalikan ke cooler evaporator. Rangkaian pendingin ini disebut dengan unit pendingin primer. Di heat exchanger, pendingin primer bersinggungan dengan media pendingin yang lebih rendah suhunya yang dikenal dengan pendingin sekunder. Pendingin sekunder keluaran heat exchanger disirkulasikan ke cooling tower untuk didinginkan dengan udara. Air pendingin dari cooling tower selanjutnya disirkulasikan kembali ke heat exchanger. Dengan adanya pendinginan air dari proses pendinginan heat exchanger, maka akan diketahui berapa beban kalor yang terjadi di cooling tower, sehingga diketahui apakah pendinginan air yang berasal dari pendinginan evaporator dapat berjalan dengan baik. Karakteristik cooling tower dinyatakan dengan kisaran (range), pendekatan (approach) dan beban kalor (cooling load). Sistem air pendingin terdiri dari beberapa peralatan diantaranya Cooling Tower, Expansion Tank, Air Separator, Circulating Pump, Heat Exchanger, Chemical Feeder System, Make Up Water System dan Bleed Off System. Permasalahan saat ini adalah kapasitas operasi peralatan hanya 50% karena satu unit motor fan tidak berfungsi akibat adanya short circuit. Floating valve pengatur aliran air tidak berfungsi karena pecah. Flexible joint pada sisi discharge dalam kondisi pecah akibat besarnya beban pipa yang ditopang. Tranfer panas heat exchanger tidak maksimal. Satu cooling tower tidak bisa dioperasikan dari kontrol terpusat. Untuk mengatasi permasalahan tersebut perlu dilakukan revitalisasi. Makalah ini menyampaikan revitalisasi sistem pendingin yang telah dilakukan selama tahun 2012. DASAR TEORI Cooling tower basah adalah peralatan pembuang kalor berdasarkan mekanisme pendinginan air dengan menggunakan udara yang berkontak secara langsung dan menguapkan sebagian air tersebut. Aliran udara di cooling tower basah terjadi dengan atau tanpa bantuan kipas, dengan arah aliran udara searah atau aliran berlawanan arah dengan jatuhnya air. Cooling tower basah aliran lawan arah yang tanpa menggunakan kipas tergolong cooling tower jujut alami dan yang menggunakan kipas disebut cooling tower jujut mekanik. Cooling tower basah jujut mekanik aliran lawan arah masih dibagi menjadi cooling tower basah induced draft dan forced draft. Pada cooling tower basah induced –draft aliran lawan arah sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai akibatnya, air yang tersisa didinginkan. Skema sistem cooling tower pendingin evaporator diperlihatkan pada Gambar-1. Mekanisme pembuangan panas cooling tower basah dalam bentuk penguapan (evaporation) mengambil porsi 75 % di cuaca panas dan 60 % pada cuaca dingin dari beban pendinginan dan sisanya berupa penambahan panas sensibel ke udara[1]. Cooling tower basah mampu menurunkan suhu air lebih rendah dari jenis peralatan yang hanya
838
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil atau cooling tower kering. Pembuangan kalor sensibel ke udara lebih besar pada cuaca dingin dibandingkan cuaca panas.
Gambar-1. Skema sistem cooling tower basah[2] Kehilangan sebagian air sirkulasi karena penguapan diantisipasi dengan sistem air tambahan atau make up water system. Air tambahan juga untuk pengganti hembus buang (blowdown), dan hanyutan (drift). Hembus buang biasanya 20 %, dan hanyutan 2 sampai dengan 2,5 % dari kehilangan air karena penguapan. Sistem distribusi air cooling tower basah induceddraft aliran lawan arah menyemprotkan air menggunakan nosel ke inti menara dimana udara berhembus naik untuk bersinggungan secara langsung dengan udara. Cooling tower merupakan tempat terjadinya perpindahan panas dan massa sehingga air menjadi dingin. Komponen cooling tower Komponen dasar sebuah cooling tower meliputi rangka dan wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel dan fan. Kesemuanya dijelaskan sebagai berikut[3]; a. Rangka dan wadah. Hampir semua cooling tower memiliki rangka berstruktur yang menunjang tutup luar (wadah/casing), motor, fan, dan komponen lainnya. Dengan rancangan yang lebih kecil, seperti unit fiber glass, wadahnya dapat menjadi rangka. b. Bahan Pengisi. Hampir seluruh cooling tower menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastik atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Terdapat dua jenis bahan pengisi:
839
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
c.
d.
e.
f.
ISSN 0852-2979
o Bahan pengisi berbentuk 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. Bahan pengisi percikan dari plastic memberikan perpindahan panas yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu. o Bahan pengisi berbentuk film: 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. Jenis bahan pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan panas yang sama dalam volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash. Kolam air dingin. Kolam air dingin terletak pada atau dekat bagian bawah cooling tower, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi. Kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin. Dalam beberapa desain, kolam air dingin berada dibagian bawah seluruh bahan pengisi. Pada beberapa desain aliran yang berlawanan arah pada forced draft, air di bagian bawah bahan pengisi disalurkan ke bak yang berbentuk lingkaran yang berfungsi sebagai kolam air dingin. Sudu-sudu fan dipasang dibawah bahan pengisi untuk meniup udara naik melalui menara. Dengan desain ini, menara dipasang pada landasannya, memberikan kemudahan akses bagi fan dan motornya. Drift eliminators. Alat ini menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfir. Saluran udara masuk. Ini merupakan titik masuk bagi udara menuju menara. Saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah menara (desain aliran berlawanan arah). Louvers. Pada umumnya, menara dengan aliran silang memiliki saluran masuk louvers. Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara. Beberapa desain menara aliran berlawanan arah tidak memerlukan louver.
Kinerja cooling tower dievaluasi untuk mengkaji tingkat approach dan cooling range saat ini, identifikasi area terjadinya pemborosan energi dan memberikan saran perbaikan. Selama evaluasi kinerja, peralatan pemantauan digunakan untuk mengukur parameter suhu udara bola basah (wet bulb), suhu air masuk cooling tower, dan Suhu air keluar cooling tower. Parameter terukur kemudian digunakan untuk menentukan kinerja cooling tower dengan beberapa cara. Yaitu[4]: a. Range Merupakan perbedaan antara suhu air masuk dan keluar cooling tower. Range yang tinggi berarti bahwa cooling tower telah mampu menurunkan suhu air secara efektif, dan kinerjanya bagus. Rumusnya adalah:
840
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
Range CT (°C) = [suhu masuk CW (°C) - suhu keluar CW (°C)] b. Approach Merupakan perbedaan antara suhu air dingin keluar cooling tower dan suhu bola basah lingkungan (wet bulb ambient). Semakin rendah nilai approach semakin baik kinerja cooling tower. Walaupun, range dan approach harus dipantau, 'approach' merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja cooling tower. Approach CT (°C) = [suhu keluar CW (°C) - suhu wet bulb (°C)] c. Efektivitas. Merupakan perbandingan antara range dan range ideal (dalam persentase), yaitu perbedaan antara suhu masuk air pendingin dan suhu wet bulb ambien, atau dengan kata lain adalah = Range/ (Range + Approach). Semakin tinggi perbandingan ini, maka semakin tinggi efektivitas cooling tower. Efektivitas CT (%) = 100 x (suhu CW – suhu keluar CW) / (suhu masuk CW -suhu WB) TATA KERJA Bahan 1. 2. 3. 4.
Pressure gauge kapasitas 0 – 10 bar Temperature indicator kapasitas 0 – 60 oC Floating valve 1 inchi dan Flexible joint 5 inchi Support pipa, Valve 1 inchi, Pipa 4 inchi, Flange 4 inchi, L-bow 4 inchi dan kawat ram stainlessteel 5. Gasket Small P22A-NBRB/c/p/n 3226318046 dan 3226318096 6. Kontaktor 32 A/ 220 V, Thermal Over Load 12 - 18 A 3 phase, relay 5 Amp 220 VAC, holder lamp dan push button switch
Metode Pelaksanaan revitalisasi meliputi: a. Perbaikan Motor Fan Motor fan B diukur tahanan lilitannya kemudian tahanan isolasi antara lilitan dengan lilitan dan tahanan lilitan dengan grounding. Motor dilepas dari dudukannya dan di-rewinding lilitannya. Tahanan lilitan dan tahanan isolasi diukur kembali pasca rewinding sebelum diinstalasi ke cooling tower. b. Penggantian Indikator dan Valve Indikator suhu, indikator tekanan, floating valve, flexible joint dilepas menggunakan toolset mekanik kemudian diganti dengan komponen baru. Support pipa, Valve 1 inchi, Pipa 4 inchi, Flange 4 inchi, L-bow 4 inchi dan kawat ram stainlessteel dipasang pada jaringan pemipaan menggunakan las dan baut. c. Perbaikan Heat Exchanger
841
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
Heat exchanger dibuka menggunakan kunci kemudian gasket antar kisinya dilepas satu persatu. Kisi-kisi dibersihkan dengan air dan dikeringkan. Gasket baru Small P22A-NBRB/c/p/n 3226318046 dan 3226318096 dipasang menggunakan lem perekat dan diikatkan kembali. Streaner dan valve-valve dibersihkan dari kotoran untuk memperbaiki aliran air pendingin. d. Penggantian Komponen Control Panel Komponen lama (kontaktor 32 A/ 220 V, Thermal Over Load 12 - 18 A 3 phase, relay 5 Amp 220 VAC, holder lamp dan push button switch) dilepas menggunakan tool set listrik dan diganti dengan komponen baru. Gambar proses revitalisasi diperlihatkan pada Gambar-2. e. Pengujian Pengujian dilakukan dengan mengoperasikan cooling tower secara kendali lokal dan sentral. Arus listrik motor fan diukur mengunakan tang amper meter dan dibandingkan dengan standar. Suhu air masuk dan keluar cooling tower diamati pada indikator suhu. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mengatasi sistem pendingin evaporator tipe cooling tower di Instalasi Pengolahan Limbah radioaktif yang bermasalah maka dilakukan kegiatan revitalisasi. Revitalisasi dengan cara mengganti indicator suhu dan tekanan, menggulung ulang koil motor fan kapasitas 3,7 kW, 12 A/380 volt. Mengganti floating valve dan flexible joint disertai penambahan pipa pendukung pada sisi discharge pompa. Membersihkan dan memperbaiki komponen pemipaan seperti streaner dan valve-valve. Penggantian gasket heat exchanger dan penggantian komponen kontrol motor dan pompa. Dengan penggantian komponen sistem pendingin diharapkan kapasitas operasi peralatan 100%. HE berfungsi optimal, flexible joint tidak mudah pecah. Semua fan dan pompa dapat dioperasikan dari kontrol terpusat. Proses kegiatan revitalisasi yang telah dilakukan diperlihatkan pada Gambar-2.
842
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
Gambar-2. Proses revitalisasi coling tower Cooling tower menggunakan motor fan untuk memutar kipas pemancar air yang akan didinginkan dengan udara. Tidak beroperasinya motor fan mengakibatkan proses pendinginan tidak sempurna. Motor fan cooling tower 62101 B tidak berfungsi karena terjadi hubung singkat antara lilitan dan lilitan dengan grounding. Hasil pengukuran tahanan lilitan dan isolasi diperlihatkan pada Gambar-3.
Tahanan (Mega Ohm)
25 20 15
Pra rewinding Pasca rewinding
10 5 0 UV
VW
UW
UG
VG
WG
Kode lilitan
Gambar-3. Grafik tahanan lilitan motor fan B kondisi pra dan pasca rewinding Gambar-3 menunjukkan bahwa nilai tahanan isolasi lilitan motor pra rewinding sangat kecil antara 0,2 – 5 mega Ohm. Kondisi ini tidak memenuhi persyaratan tahanan isolasi minimal untuk motor fan sekitar 2 mega Ohm. Untuk menaikkan tahanan isolasi agar motor dapat dioperasikan kembali maka lilitan harus di rewinding. Tahanan isolasi pasca rewinding yang terlihat pada gambar
843
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
menunjukkan bahwa motor fan telah memenuhi persyaratan untuk dioperasikan kembali karena tahanan isolasi berkisar 10 – 20 mega Ohm. Selain pengukuran tahanan isolasi, perlu juga untuk mengetahui tahanan lilitannya. Hasil pengukuran tahanan lilitan diperlihatkan pada Gambar-4. Gambar menunjukkan bahwa tahanan lilitan pra rewinding bervariasi dari 0,24 – 0,53 ohm. Terdapat ketidakseimbangan tahanan lilitan satu dangan lainnya sehingga perlu diganti lilitannya. Keadaan berbeda pasca rewinding dimana tahanan lilitan seimbang 0,56 ohm. Pasca rewinding lilitan motor fan dan penggantian komponen indikator suhu, indikator tekanan, floating valve, flexible joint serta lainnya kemudian dilakukan pengujian cooling tower. Hasil pengujian ditunjukkan dengan istilah range, approach dan efectivity. Hasil perhitungan range ditunjukkan pada Gambar-5. Gambar menunjukkan bahwa terjadi kenaikan range pasca revitalisasi. Cooling range cooling tower 62101 A meningkat dari 4,5 oC ke 5 oC, sedangkan cooling range cooling tower 62101 B meningkat dari 1 oC ke 5 oC. Cooling range cooling tower 62101 B meningkat sangat tinggi karena beroperasinya motor fan. Range yang lebih tinggi berarti cooling tower mampu menurunkan suhu air secara efektif, dan kinerjanya bagus. Hal ini merupakan cerminan kemampuan membuang panas yang baik dari cooling tower ke lingkungan.
0.6 Tahanan (Ohm)
0.5 0.4 Pra rewinding Pasca rewinding
0.3 0.2 0.1 0 UU'
VV'
WW'
Kode lilitan
Gambar-4. Grafik tahanan isolasi motor fan B kondisi pra dan pasca rewinding Perhitungan approach diperlihatkan pada Gambar-6. Gambar menunjukkan bahwa pasca revitalisasi, approach cooling tower berubah turun. Nilai approach cooling tower 62101 A turun dari 4,8 oC ke 4,2 oC sedangkan pada cooling tower 62101 B nilai approach turun dari 7 oC ke 4,3 oC. Rendahnya approach pasca revitalisasi menunjukkan bahwa kinerja semakin baik.
844
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
Range cooling tower (oC)
6 5 4
Pra revitalisasi
3 2
Pasca revitalisasi
1 0 62101 A
62101 B
Cooling tower
Approach Cooling tower (oC)
Gambar-5. Grafik cooling tower range antara pra dan pasca revitalisasi 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Pra revitalisasi Pasca revitalisasi
62101 A
62101 B Cooling tower
Gambar-6. Grafik cooling tower approach antara pra dan pasca revitalisasi Perhitungan efektivitas cooling tower diperlihatkan pada Gambar-7. Gambar menunjukkan bahwa prosentase efektifitas meningkat pasca revitalisasi. Cooling tower 62101 A meningkat dari 48% ke 54% sedangkan 62101 B meningkat dari 13% ke 54%. Meningkatnya efektivitas berarti bahwa penukar panas bekerja semakin baik dan efektif.
845
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2012
ISSN 0852-2979
Prosentase (prosen)
60 50 40
Pra revitalisasi Pasca revitalisasi
30 20 10 0 62101 A
62101 B Cooling Tower
Gambar-7. Grafik cooling tower effectivity antara pra dan pasca revitalisasi
KESIMPULAN Dari bahasan diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa : 1. Revitalisasi cooling tower telah berhasil menaikkan Cooling Range 62101 A dari 4,5 oC ke 5 oC sedangkan 62101 B dari 1 oC ke 5 oC. Semakin tinggi Cooling Range berarti kemampuan cooling tower membuang panas lebih baik. 2. Revitalisasi cooling tower telah berhasil menurunkan approach 62101 A dari 4,8 oC ke 4,2 oC sedangkan 62101 B turun dari 7 oC ke 4,3 oC. Approach yang makin kecil akan memperbesar efektivitas, karena approach berbanding terbalik dengan efektivitas. 3. Revitalisasi berhasil meningkatkan efektivitas 62101 A dari 48% ke 54% sedangkan 62101 B meningkat dari 13% ke 54%. Meningkatnya efektivitas berarti bahwa penukar panas bekerja semakin baik dan efektif.
DAFTAR PUSTAKA [1]. El-Wakil, M.M., diterjemahkan Jasjfi, E, Instalasi Pembangkit Daya (Judul asli : Power Plant Technology) Penerbit Erlangga,1992, Jakarta. [2]. AHMAD NURJANA, Pengoperasian Cooling Tower untuk Penurunan Temperatur Media Pendingin Evaporator, Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR, Tangerang, 2012. [3]. Laboratorium Nasional Pacific Northwest, 2001 ,dikutip dalam Peralatan Energi Listrik:Menara Pendingin Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia www.energyefficiencyasia.org [4]. MULYONO, Analisa Beban Kalor Menara Pendingin Basah InduceDraft Aliran Lawan Arah, Jurnal Rekayasa, diunduh Pebruari 2013.
846
