Apakah Menara Pendingin Itu

.1 Apakah Menara Pendingin itu?

Menara pendingin merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan

suhu aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke

atmosfir. Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air

diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir.

Sebagai akibatnya, air yang tersisa didinginkan secara signifikan (Gambar 1).

Menara pendingin mampu menurunkan suhu air lebih dari peralatan-peralatan

yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam

mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien energinya.

Gambar 1. Diagram skematik sistim menara pendingin

(Laboratorium Nasional Pacific Northwest, 2001)

1.2 Komponen menara pendingin

Komponen dasar sebuah menara pendingin meliputi rangka dan wadah, bahan

pengisi, kolam

air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel dan fan.

Kesemuanya

dijelaskan dibawah.1

Rangka dan wadah. Hampir semua menara 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.

Bahan Pengisi. Hampir seluruh menara menggunakan bahan pengisi

(terbuat dari plastik

atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan

kontak udara dan air. Terdapat dua jenis bahan pengisi:

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

menara, 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.

Nosel. Alat ini menyemprotkan air untuk membasahi bahan pengisi.

Distribusi air yang seragam pada puncak bahan pengisi adalah penting

untuk mendapatkan pembasahan yang benar dari seluruh permukaan bahan

pengisi. Nosel dapat dipasang dan menyemprot dengan pola bundar atau

segi empat, atau dapat menjadi bagian dari rakitan yang berputar seperti

pada menara dengan beberapa potongan lintang yang memutar.

Fan. Fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya digunakan

dalam menara. Umumnya fan dengan baling-baling/propeller digunakan

pada menara induced draft dan baik fan propeller dan sentrifugal dua-

duanya ditemukan dalam menara forced draft. Tergantung pada

ukurannya, jenis fan propeller yang digunakan sudah dipasang tetap atau

dengan dapat dirubah-rubah/ diatur. Sebuah fan dengan baling-baling yang

dapat diatur tidak secara otomatis dapat digunakan diatas range yang

cukup luas sebab fan dapat disesuaikan untuk mengirim aliran udara yang

dikehendaki pada pemakaian tenaga terendah. Baling-baling yang dapat

diatur secara otomatis dapat beragam aliran udaranya dalam rangka

merespon perubahan kondisi beban.

.2 Material untuk Menara

Pada mulanya menara pendingin dibuat terutama dari kayu, termasuk rangka,

wadah, louvers, bahan pengisi dan kolam air dingin. Kadangkala kolam air

dingin terbuat dari beton. Saat ini, telah digunakan berbagai macam bahan

untuk membangun menara pendingin. Bahan-bahan dipilih untuk

meningkatkan ketahanan terhadap korosi, mengurangi perawatan, dan turut

mendukung kehandalan dan umur layanan yang panjang. Baja yang sudah

digalvanis, berbagai kelas stainless steel, fiber glass, dan beton sangat banyak

digunakan dalam pembuatan menara, juga alumunium dan plastik untuk

beberapa komponen.2

Rangka dan wadah. Menara yang terbuat dari kayu masih tersedia,

namun beberapa komponen dibuat dari bahan yang berbeda, seperti

wadah casing fiber glass disekitar rangka kayu, saluran masuk udara

louvers dari fiber glass, bahan pengisi dari plastik dan kolam air

dingin dari baja. Banyak menara (wadah dan kolam) nya terbuat dari

baja yang digalvanis atau, pada atmosfir yang korosif, menara

dan/atau dasarnya dibuat dari stainless steel. Menara yang lebih besar

kadangkala terbuat dari beton. Fiber glass juga banyak digunakan

untuk wadah dan kolam menara pendingin, sebab dapat

memperpanjang umur menara pendingin dan memberi perlindungan

terhadap bahan kimia yang berbahaya.

Bahan pengisi. Plastik sangat banyak digunakan sebagai bahan

pengisi, termasuk PVC, polypropylene, dan polimer lainnya. Jika

kondisi air memerlukan penggunaan splash fill, splash fill kayu yang

sudah diberi perlakuan juga banyak digunakan. Disebabkan efisiensi

perpindahan panasnya lebih besar, bahan pengisi film dipilih untuk

penggunaan yang sirkulasi airnya bebas dari sampah yang dapat

menghalangi lintasan bahan pengisi.

Nosel. Plastik juga digunakan luas untuk nosel. Banyak nosel terbuat

dari PVC, ABS, polipropilen, dan nylon yang diisi kaca.

Fan. Bahan yang biasa digunakan untuk fan adalah alumunium, fiber

glass dan baja yang digalvanis celup panas. Baling-baling fan terbuat

dari baja galvanis, alumunium, plastik yang diperkuat oleh fiber glass

cetak.

2. JENIS-JENIS MENARA PENDINGIN

Bagian ini menjelaskan dua jenis utama menara pendingin: menara pendingin

jenis natural

draft dan jenis mechanical draft.

2.1 Menara pendingin jenis natural draft

Menara pendingin jenis natural draft atau hiperbola menggunakan perbedaan

suhu antara udara ambien dan udara yang lebih panas dibagian dalam menara.

Begitu udara panas mengalir ke atas melalui menara (sebab udara panas akan

naik), udara segar yang dingin disalurkan ke menara melalui saluran udara masuk

di bagian bawah. Tidak diperlukan fan dan disana hampir tidak ada sirkulasi udara

panas yang dapat mempengaruhi kinerja. Kontruksi beton banyak digunakan

untuk dinding menara dengan ketinggian hingga mencapai 200 m. Menara

pendingin tersebut kebanyakan hanya digunakan untuk jumlah panas yang besar

sebab struktur beton yang besar cukup mahal.

Gambar 2. Menara pendingin natural draft Gambar 3. Menara pendingin natural draftaliran melintang aliran berlawanan arah

Terdapat dua jenis utama menara natural draft:

Menara aliran melintang (Gambar 2): udara dialirkan melintasi air yang

jatuh dan bahan

pengisi berada diluar menara.

Menara dengan aliran yang berlawanan arah (Gambar 3): udara dihisap

melalui air yang jatuh dan oleh karena itu bahan pengisi terletak dibagian

dalam menara, walaupun desain tergantung pada kondisi tempat yang

spesifik.

2.2 Menara Pendingin Draft Mekanik

Menara draft mekanik memiliki fan yang besar untuk mendorong atau

mengalirkan udara melalui air yang disirkulasi. Air jatuh turun diatas permukaan

bahan pengisi, yang membantu memaksimalkan perpindahan panas diantara

keduanya. Laju pendinginan menara draft mekanis tergantung pada banyak

parameter seperti diameter fan dan kecepatan operasi, bahan pengisi untuk

tahanan sistim dll. Menara draft mekanik tersedia dalam range kapasitas yang

besar. Menara tersedia dalam bentuk rakitan pabrik atau didirikan dilapangan –

sebagai contoh menara beton hanya bisa dibuat dilapangan.

Banyak menara telah dibangun dan dapat digabungkan untuk mendapatkan

kapasitas yang dikehendaki. Jadi, banyak menara pendingin yang merupakan

rakitan dari dua atau lebih menara pendingin individu atau “sel”. Jumlah sel yang

mereka miliki, misalnya suatu menara delapan sel, dinamakan sesuai dengan

jumlah selnya. Menara dengan jumlah sel banyak, dapat berupa garis lurus, segi

empat, atau bundar tergantung pada bentuk individu sel dan tempat saluran udara

masuk ditempatkan pada sisi atau dibawah sel.

Tiga jenis menara draft mekanik dijelaskan dalam Tabel 1.

Tabel 1. Ciri-ciri berbagai jenis menara pendingin draft (berdasarkan pada

ARAH)

Gambar 4. Menara Pendingin Forced Draft (REFERENSI)

Gambar 5. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan(GEO4VA)

Gambar 6. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang(GEO4VA)

3. PENGKAJIAN TERHADAP MENARA PENDINGINBagian ini menjelaskan tentang bagaimana kinerja tenaga pendinginan dapat dikaji.3. Kinerja menara pendingin dievaluasi untuk mengkaji tingkat approach dan range saat ini terhadap nilai desain, mengidentifikasi area terjadinya pemborosan energi dan memberikan saran perbaikan. Selama evaluasi kinerja, peralatan pemantauan yang portable digunakan untuk mengukur parameter-parameter berikut:

Suhu udara wet bulb Suhu udara dry bulb Suhu air masuk menara pendingin Suhu air keluar menara pendingin Suhu udara keluar

Pembacaan listrik motor pompa dan fan Laju alir air Laju alir udara

Gambar 7. Range dan approach menara pendingin

Parameter terukur tersebut kemudian digunakan untuk menentukan kinerja

menara pendingin

dengan beberapa cara. Yaitu:

a) Range (lihat Gambar 7). Ini merupakan perbedaan antara suhu air masuk

dan keluar menara pendingin. Range CT yang tinggi berarti bahwa menara

pendingin telah mampu menurunkan suhu air secara efektif, dan

kinerjanya bagus. Rumusnya adalah:

Range CT (°C) = [suhu masuk CW (°C) – suhu keluar CW (°C)]

b) Approach (lihat Gambar7). Merupakan perbedaan antara suhu air dingin

keluar menara pendingin dan suhu wet bulb ambien. Semakin rendah

approach semakin baik kinerja menara pendingin. Walaupun, range dan

approach harus dipantau, ‘approach’ merupakan indikator yang lebih baik

untuk kinerja menara pendingin.

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 menara pendingin.

Efektivitas CT (%) = 100 x (suhu CW –suhu keluar CW) / (suhu masuk

CW –suhu WB)

d) Kapasitas pendinginan. Merupakan panas yang dibuang dalam kKal/jam

atau TR, sebagai hasil dari kecepatan aliran masa air, panas spesifik dan

perbedaan suhu.

e) Kehilangan penguapan. Merupakan jumlah air yang diuapkan untuk

tugas pendinginan. Secara teoritis jumlah penguapan mencapai 1,8 m3

untuk setiap 10.000.000 kKal panas yang dibuang. Rumus berikut dapat

digunakan (Perry):

Kehilangan penguapan (m3/jam) = 0,00085 x 1,8 x laju sirkulasi (m3/jam)

x (T1-T2)

T1 - T2 = perbedaan suhu antara air masuk dan keluar

f) Siklus konsentrasi (C.O.C). Merupakan perbandingan padatan terlarut

dalam air sirkulasi terhadap padatan terlarut dalam air make up.

g) Kehilangan Blow down tergantung pada siklus konsentrasi dan kehilangan

penguapan dan dihitung dengan rumus:

Blow down = Kehilangan penguapan/ (C.O.C. – 1)

h) Perbandingan Cair/Gas (L/G). Perbandingan L/G menara pendingin

merupakan perbandingan antara laju alir massa air dan udara. Menara

pendingin memiliki nilai desain tertentu, namun variasi karena musim

memerlukan pengaturan dan perubahan laju alir air dan udara untuk

mendapatkan efektivitas terbaik menara pendingin. Pengaturan dapat

dilakukan dengan perubahan beban kotak air atau pengaturan sudut

siripnya. Aturan termodinamika juga mengatakan bahwa panas yang

dibuang dari air harus sama dengan panas yang diserap oleh udara

sekitarnya. Oleh karena itu rumus berikut dapat digunakan:

L(T1 – T2) = G(h2 – h1)

L/G = (h2 – h1) / (T1 – T2)

Dimana:

L/G = perbandingan aliran massa cair terhadap gas (kg/kg)

T1 = suhu air panas (0C)

T2 = suhu air dingin (0C)

h2 = entalpi uap campuran udara-air pada suhu wet-bulb keluar (satuannya

sama dengan diatas)

h1 = entalpi uap campuran udara-air pada suhu wet-bulb masuk (satuannya

sama dengan diatas)

Jenis Splash

Jenis Non Splash / Fill

Drift dan Eliminator

C.6 Perhitungan Menara Pendingin

Perhitungan pada menara pendingin melibatkan kesetimbangan energy dan

massa. Ada tiga jenis aliran fluida yang masuk dn yang meninggalkan sistem yang

harus diperhitungkan untuk kesetimbangan energy dan massa energi. Pada bagian

berikut ini terlebih dahulu akan dibahas mengenai sistem udar dan air (Air-Water

System) yang berkaitan erat dengan perhitungan pada menara pendingin

Kelembaban (Humidity)

Kelembaban dari suatu campuran udara-air dapat diartikan sebagai

perbandingan antara sejumlah massa dari uap air dengan sejumlah massa

dari udara kering, yang disimbolkan sebagai berikut :

Humidity()=M v

M a

Relative Humidity (∅ )=Pv

PSaturasi

Dikenal pula istilah-istilah lain untuk kelembaban yang umum, contohnya

istilah temperatur dew point, yang diartikan sebagai temperatur dimana gas

atau udara dalam keadaan saturasi. Hubungan antara temperatur dan

kelembaban digambarkan pada gambar berikut :

Gambar C.7. Hubungan Temperatur dan Kelembaban

ADP

B

TATDPTB

Humidity

Temperature

Campuran udara-air pada keadaan yang temperatur dan kelembabannya

terletak pada titik A didinginkan sampai mencapai temperatur dew point-

nya (Tdp), yang terletak pada kurva saturasi dimana proses kondensasi akan

mulai terjadi. Jika gas atau udara tersebut didinginkan lagi, maka proses

kondensasi akan terjadi untuk menjaga gas atau udara tersebut tetap dalam

keadaan saturasi. Proses pendinginan dari Ta ke Tb dilukiskan pada garis

yang dibentuk A-DP-B .

Istilah lanjut dalam kelembaban adalah humidity heat (s), yang

diartikan sebagai panas yang dibutuhkan untuk mendapatkan satuan massa

dari udara kering ditambah dengan massa dari uap air pada kondisi

temperatur yang berbeda dan tekanan tetap, sehingga :

S=Cpa+ωC pv

Dimana :

C pa = kapasitas panas spesifik udara kering (1kJ/kg)

C pv = kapasitas panas spesifik uap air (1.88 kJ/kg)

Parameter-parameter lain yang juga dipertimbangkan adalah panas laten

dari evaporasi, hlg

hlg=hlg o+ (Cpv−Cpl )∗(T−273.15)

Dimana :

hlg = panas laten evaporasi pada temperature 0oC (273.15 K)

Cpl = kapasitas panas spesifik (4.18 kJ/kg)

Temperatur Bola Kering (Dry Bulb Temperature)

Temperatur bola kering adalah temperatur yang umum diukur dan

digunakan. Temperatur ini diukur oleh sebuah termometer yang

menggunakan air raksa yang mempunyai bola kering pada sisi ujungnya ,

dilambangkan dengan lambang Tdb.

Temperatur Bola Basah (Wet Bulb Temperature)

Temperatur bola basah adalah temperatur dari udara yang diukur dengan

alat psychrometer, udara dihembuskan pada alat ukur ini yang memiliki

termometer yang memiliki bola diselubungi oleh kain basah. Jika udara

yang dihembuskan relatif kering, maka air akan menguap pada bola

tersebut lebih cepat dan akibatnya pembacaan pada bola basah lebih

rendah jika dibandingkan dengan pembacaan temperatur pada bola kering.

Jika udara yang dihembuskan lembab, maka proses penguapannya akan

lebih lambat sehingga mengakibatkan pembacaan temperatur bola

basahnya mendekati pembacaan temperatur bola kering. Pembacaan

temperatur bola basah ini dilambangkan dengan lambang, Twb .

Diagram phsycrometric

Diagram ini berhubungan denga kelembaban relatif (∅),

temperatur bola basah (Twb), temperature bola kering (Tdb) dan juga berisi

informasi tambahan seperti nilai entalpi dan volume spesifik. Dasar

diagram psychrometric diilustrasikan dalam gambar berikut :

Gambar C.8. Cara Pembacaan Diagram Psikrometrik

Temperatur bola kering (Tdb) ditunjukkan oleh garis horizontal

dan kelembaban () ditunjukkan oleh garis vertikal. Pada sisi kiri

diagramnya terdapat kurva yang disebut dengan garis saturasi. Seluruh

keadaan saturasi dari gas atau udara terletak pada kurva ini. Kurva ini

disebut juga kurva dengan nilai kelembaban relatifnya sebesar 100% dan

kurva dengan nilai selain 100% secara umum juga mempunyai pola atau

bentuk yang sama. Garis dari temperatur bola basah ditunjukkan oleh garis

yang arahnya turun ke sisi sebelah kanan, sementara untuk garis volume

spesifik bentuknya hampir mirip tetapi turunnya agak lebih curam. Untuk

garis entalpi bentuk garisnya agak sedikit parallel dengan garis temperatur

bola basah. Untuk udara dalam keadaan saturasi, nilai dari temperatur bola

kering, nilai dari temperature bola basah, dan temperatur dew point-nya

akan mempunyai nilai yang sama.

Diagram psychrometric ini dihitung dan dilukiskan pada tekanan

atmosfir standar dan untuk penggunaan diagram pdychrometric pada

tekanan yang lebih dari 1 atm, nilai datanya harus dikoreksi untuk

mengkompensasi akibat pengaruh tekanan atau didalam perhitungan kita

bisa langsung menggunakan tabel-tabel yang sudah dikekuarkan oleh

Cooling Tower Institute.

Perpindahan Panas dan Massa

Teori dari proses perpindahan panas dan massa yng umum

digunakan dan dipakai dikembangkan oleh Merkel. Teori Merkel ini

menggunakan analisis berdasarkan perbedaan potensial entalpi yang

dikenal sebagai “Driving Force”. Masing-masing partikel air diasumsikan

dikelilingi oleh lapisan tipis dari udara dan perbedaan entlapi antara

lapisan tipis dan udara yang mengelilinginya menghasilkan driving force

untuk terjadinya proses pendinginan. Penurunan bentuk persamaan dari

merkel dapat dijelaskan melalui gambar brikut ini :

Gambar C.9. Skema Operasi Menara Pendingin

Gambar tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: Besarnya laju

aliran udara (G), laju aliran air (L), kelembaban udara (∅ ) dan besarnya

kalor akibat pembebanan (q) yang nilainya adalah laju aliran kalor (Q)

dibagi dengan besarnya luasan aliran pada menara pendinginan (A). Pada

sistem pendinginan ini terjadi perpindahan kalor dan massa antara udara

sekitar yang memiliki temperatur lebih rendah dari air yang masuk ke

menara pendingin dan menyebabkan udara yang keluar menara pendingin

dan memiliki tingkat kelembabanyang lebih tinggi. Kondisi-kondisi ini

dapat dirumuskan sebagai berikut :

Kesetimbangan energy yang terjadi pada udara :

q+L1C pT 1=G (h2−h1 ) ………( persamaan 1)

Kesetimbangan energi yang terjadi pada air :

q=LCp (T3−T2 )+L1 Cp (T 2−T1 ) ……… ( pers. 2)

Penggabungan dua persamaan diatas akan menghasilkan persamaan berikut :

G (h2−h1 )=L Cp (T 3−T 2)+ L1C pT 2 ………( pers.3)

Jumlah air yang ditambahkan untuk mengganti air yang hilang akibat penguapan

adalah :

L1=G (∅ 2−∅ 1 )… ……( pers. 4 )

Dengan mensubstitusikan persamaan 3 dan persamaan 4 maka didapat :

L1

( h2−h1 )(∅ 2−∅ 1 )

=LC p (T3−T2 )+L1 Cp T 2……… (pers .5)

Penggabungan persamaan 2 dan persamaan 5 akan menghasilkan :

L1

( h2−h1 )(∅ 2−∅ 1 )

−q=L1C pT 2

L1=q

(h2−h1 )(∅ 2−∅ 1 )

−C pT 1

……… (pers .6)

Total perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower terdiri dari

perpindahan kalor secara difusi dan perpindahan kalor secara konveksi

yaitu :

q t=q=qd +qc ………( pers . 7)

qd=L1 λ ,dimana λ = kalor laten penguapan air pada cooling tower

Penggabungan persamaan 2 dengan persamaan 7 akan mendapatkan :

q=LCp (T3−T2 )+L1 Cp (T 2−T1 )=qd+qc

qc=LCp (T 3−T 2 )+L1C p (T2−T1 )−qd

qc=LCp (T 3−T 2 )+L1C p (T2−T1 )−L1 λ

qc

qd

=LCp (T 3−T 2)+L1 Cp (T 2−T 1 )−L1 λ

L1 λ

qc

qd

=LCp (T 3−T 2)+L1 Cp (T 2−T 1 )

L1 λ−1

qc

qd

=LCp (T 3−T 2)+L1 Cp (T 2−T 1 )

G (∅ 2−∅ 1 ) λ−1

qc

qd

= qG (∅ 2−∅ 1 ) λ

−1………( pers .8)

Pada persamaan 8 ini menunjukkan perbandingan antara perpindahan

kalor secara konveksi dengan perpindahan kalor secara difusi.

Perpindahan panas sensible dari air pada temperature T ke udara pada

temperatur t dapat dirumuskan sebagai berikut :

d qc=h (T−t ) a∗dV ……… (pers .9)

Dimana :

a = luas efektif dari permukaan air per satuan volume cooling tower

dV = turunan pertama dari volume cooling tower

Luasan bidang perpindahan panasnya adalah :

dA=a∗dV ………( pers .10)

d qc=GC p dT ……… ( pers.11)

dqd= λ∗dL ………( pers .12)

Dimana dL adalah laju difusi uap air

Dengan menggunakan hubungan kelembaban massa maka dapat dituliskan

sebagai berikut :

dL=K (∅ '−∅ ) a∗dV ……… (pers . 13)

Dimana : K = Koefisien perpindahan massa secara menyeluruh

∅ '= Kelembaban pada temperatur saturasi

∅ = Kelembaban udara

Dengan mensubstitusikan persamaan 13 ke dalam persamaan 12 maka

didapat :

dqd= λ∗K (∅ '−∅ ) a∗dV ……… (pers . 14)

Total perpindahan panas dq yang diberikan oleh persamaan 7 dan dalam

bentuk turunan pertama adalah :

dq=d qc+dqd

dq=h (T−t ) a∗dV +K λ (∅ '−∅ ) a∗dV ………( pers. 15)

Persamaan 15 dapat diubah menjadi :

dq=K∗a∗dV [ h (T−t )K

+λ (∅ '−∅ )]dq=K∗a∗dV [( h∗T

K+ λ∅ ' )−( h∗t

K+λ∅ )] ..… …( pers. 16)

Dengan menambahkan persamaan 16 dengan C.(T-t) lalu dikurangi

dengan C.(T-t) maka akan didapat sebagai berikut :

dq=K a∗dV [(C∗T +λ∅ ' )−(C∗T +λ∅ ' )+C (T−t)( hK∗C

−1)]Karena h=C∗T+ λ∗∅ , dimana C adalah kalor kelembaban (humidity

heat), maka :

dq=K∗a∗dV [ (h '−h )+C (T−t )( hK∗C

−1)]…( pers .17)

Pada persamaan ini, nilai h

K∗C dikenal dengan bilangan Lewis (Lewis

Number) dimana besarnya untuk sistem air-udara sama dengan satu,

sehingga persamaan ini dapat disederhanakn menjadi :

dq=K∗a∗dV (h'−h ) ………( pers .18)

dq dapat diartikan sebagai bentuk penurunan entalpi dari air atau bentuk

kenaikan entalpi dari udara dan besar nilai keduanya adalah sama,

sehingga :

dq=d ( L Cp T air)=G∗dh ………( pers .19)

Untuk operasi cooling tower pada keadaan normal, besarnya jumlah air

yang hilang akibat penguapan lebih kecil dari 2%, sehingga didalam

perhitungan dapt diasumsikan laju aliran airnya adalah tetap sebesar L .

d ( LC p T )=L∗C p∗dT dan L∗C p∗dT=G∗d h

d q=G∗dh=L∗Cp∗dT=K∗a∗dV (h'−h )

G∗dh=K∗a∗dV (h '−h ) ………( pers . 20)

Untuk kesetimbangan energi secara keseluruhan (persamaan 3) adalah :

G (h2−h1 )=L Cp (T 3−T 2)+ L1C pT 2 ,

Dimana L =L1+L2 Maka :

G (h2−h1 )=L Cp (T 3−T 2)+(L−L¿¿2)Cp T2 ¿

G (h2−h1 )=L Cp T 3−LC p T2+L Cp T2−L2C pT 2

G (h2−h1 )=L Cp T 3−L2C p T2

Dengan asumsi bahwa penguapan yang terjadi pada cooling tower

diabaikan, L≅ L2 maka :

G (h2−h1 )=L Cp (T 3−T 2) … ……( pers. 21)

Dengan menyelesaikan persamaan 20 maka didapat bentuk persamaan

menjadi :

∫ dh

h'−h=K∗a∗V

G

Karena dh=L C pdT

G maka didapat persamaan sebagai berikut :

∫ L C pdT

G(h¿¿'−h)= K∗a∗VG

……… ( pers .22 )¿

Kemudian persamaan 22 ini dikalikan dengan G/L dan besarnya nilali Cp

untuk air adalah satu sehingga didapatkan persamaannya menjadi :

KaVL

=∫T2

T1

dT

(h'−h )……… ( pers .23 )

Dan untuk persamaan 21 menjadi :

G (h2−h1 )=L (T3−T2 ) ……… ( pers .2 4 )

Besarnya nilai KaVL

dikenal juga sebagai unit bilangan perpindahan

(Number of Transfer Unit) atau disebut juga sebagai Karakteristik dari

Cooling Tower .

Persamaan 23 dan 24 secara grafik diilustrasikan pada gambar

C.10 yang melukiskan hubungan antara air-udara dan driving force yang

dihasilkan pada cooling tower jenis counterflow, dimana udara mengalir

sejajar dengan aliran air dan mempunyai arah aliran yang berlawanan arah

dengan aliran air. Pemahaman pada gambar ini sangat penting dalam

memahami proses pendinginan yang terjadi pada cooling tower. Garis

kerja udara dimulai pada titik C yang terletak tegak lurus dibawah titik B

dan mempunyai nilai enatlpi pada temperatur bola basah disisi masuk

cooling tower. Gambar BC mewakili besarnya nilai pertama-tama dari

driving force (h’-h). Pada setiap kenaikan 10F air dingin maka besarnya

kenaikan entalpi udara per poundnya (lb) bertambah 1Btu dikalika dengan

perbandingan jumlah massa air (lb) dengan jumlah massa udara (lb) yaitu :

(L/G)*1oF .Perbandingan nilai L/G ini adalah sama dengan besarnya sudut

garis kerja udara.

Udara yang meninggalkan menara pendingin ditunjukkan pada titik

D, dan nilai dari cooling range adalah besarnya panjang garis CD yang

diproyeksikan pada skala temperatur (sumbu horiznontal). Sementara

besarnya nilai approach yang ditunjukkan pada gambar adalah perbedaan

temperatur antara air dingin yang meninggalkan menara dengan

temperatur bola basah sekitar menara. Titik koordinat yang secara

langsung menunjukkan besar nilai temperature dan entalpi pada

sembarang titik terletak pada garis kerja air, sedangkan pada garis kerja

udara hanya menunjukkan besarnya nilai entalpi.

Untuk menentukkan besarnya nilai temperatur bola basah pada

sembarang titik di garis CD, ditentukan dengan cara memproyeksikan titik

tersebut secara horizontal ke kurva saturasi, kemudian secara vertikal

diproyeksikan lagi ke koordinat temperatur. Nilai integral dari persamaan

23 diwakili oleh luasan ABCD pada diagram. Besarnya nilai ini dikenal

sebagai karakteristik cooling tower, yang besarnya bervariasi tergantung

pada besarnya nilai perbandingan L/G. Sebagai contoh, pada penambahan

temperatur bola basah di sisi masuk maka akan merubah titik asal C ke

arah atas dan akan menyebabkan garis CD berubah bergerak ke kanan

untuk menjaga agar nilai KaV/L tetap. Jika nilai cooling range bertambah

besar, garis CD juga akan memanjang. Perubahan nilai perbandingan L/G

akan merubah besarnya sudut CD, dan setelah tercapai kesetimbangan,

cooling tower tersebut akan mempunyai nilai KaV/L baru.

Gambar C.10. Diagram Operasi Menara Pendingin

Untuk memperkirakan kinerja dari cooling tower, sangatlah

penting mengetahui karakteristik cooling tower yang dibutuhkan pada

kondisi temperatur ruang dan air yang tetap. Karakteristik (KaV/L) ini

dapat dihitung dengan cara diintegrallkan. Metode integral yang umum

digunakan adalah metode Chebyshev, dengan melakukan perhitungan

integral secara numerik yaitu :

KaVL

=∫T2

T1

dT

(h'−h )=

T 1−T 2

4∗( 1

∆ h1

+ 1∆ h2

+ 1∆ h3

+ 1∆ h4

)

Dimana :

∆ h1 = Nilai dari (h’-h) pada T1 + 0.1(T1-T2)




Metode lain yang lebih cepat tetapi mempunyai keakuratan yang

lebih rendah, yaitu menggunakan metode nomograph yang dapat dilihat

pada gambar 2.19, yang disebut oleh Wood dan Betts. Cooling tower jenis

mechanical draft biasanya didesain untuk besarnya nilai perbandingan L/G

berkisar antara 0.75 sampai 1.50 dan besarnya nilai KaV/L bervariasi

antara 0.5 sampai 2.5 .

Gambar C.11. Nomograph Karakteristik Menara Pendingin

C.7 Kinerja Cooling Tower

Cara perhitungan yang digunakan di dalam melakukan analisis pengujian kinerja

dari suatu menaara pendingin diantaranya adalah :

Perhitungan dengan menggunakan Kurva Karakteristik

Dalam menguji kinerja cooling tower, data-data yang berhubungan

dengan karakteristik cooling tower seperti KaV/L dan perbandingan dengan

massa air dan udara (L/G) harus turut serta dilampirkan oleh pabrik pembuat

yang nantinya akan digunakan di dalam perhitungan pengujian sebagai

parameter-parameter lain yang mempunyai pengaruh berarti dari hasil

pengujian yang didapat, seperti kecepatan udara dan temperatur air panas

harus dapat diatasi dengan variasi dari nilai L/G , dengan batasan berkisar

20% masing-masing untuk nilai batas atas dan bawah dari nilai desain yang

diberikan.

Langkah-langkah yang harus diketahui di dalam melakukan pengujian

kinerja dari suatu cooling tower yang menggunakan perhitungan kurva

karakteristik adalah sebagai berikut :

a. Perbandingan Nilai Pengujian L/G

( L/G )test=( Qtest

Qdesain)( Pdesain

P test)

13 ( ρtest

ρdesain)

13 ( v test

vdesain) ( L/G )desain

Dimana :

Qtest = Laju aliran air sirkulasi yang masuk ke cooling tower saat

pengujian (gpm)

Ptest = Daya kipas cooling tower yang terpakai saat pengujian

berlangsung (Hp)

ρtest = Densitas udara basah saat pengujian (lb/ft3)

v test = Spesifik volume udara pada sisi keluaran kipas (ft3/lb)

Besarnya nilai desain dan pengujian fan inlet specific volume (v)

dan densitas (ρ) dihitung dengan menggunakan persamaan kesetimbangan

panas (heat balance). Untuk cooling tower jenis forced draft besarnya

harga parameter tersebut diambil pada sisi masukan cooling tower, dan

untuk cooling tower jenis induced draft diambil pada sisi keluaran cooling

tower.

b. Perhitungan Nilai KaV/L (NTU)

Dengan menggunakan besarnya nilai rata-rata air panas yang masuk ke

cooling tower, air dingin yang keluar dari cooling tower, temperatur bola

basah dan besarnya nilai dari L/G hasil pengujian, maka besarnya nilai

KaV/L hasil pengujian dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

yang telah dijelaskan pada persamaan 2.3

KaVL

=∫T2

T1

dT

(h'−h )

c. Perhitungan Kemampuan Cooling tower

Besarnya nilai L/G dan KaV/L yang didapat dari pengolahan data

hasil pengujian dapat digambarkan pada grafik karakteristik cooling tower

yang diberikan oleh pabrik pembuat. Melalui besarnya nilai tersebut maka

sebuah garis harus digambarkan paralel terhadap kurva karakteristik yang

dikeluarkan pabrik pembuat. Untuk mengetahui kinerja atau kemampuan

dari suatu cooling tower dapat ditentukan dengan cara berikut ini :

Besarnya nilai L/G perpotongan yang didapat dari perpotongan garis L/G

hasil nilai pengujian dengan Garis desain “approach” dibagi dengan nilai

desain dari L/G. Pada nilai L/G perpotongan besarnya nilai (NTU) test sama

dengan (NTU)desain

Kinerja CoolingTower=(L /G ) perpotongan

( L/G )desain

∗100 %

Perhitungan dengan menggunakan kurva kinerja

Dalam menghitung dengan menggunakan kurva kinerja, terlebih dahulu

harus mempunyai kurva kinerja dari cooling tower minimum, terdiri atas tiga

set kurva yang masing-masing terdiri dari 90%, 100%, dan 110% dari desain

air sirkulasi cooling tower. Masing-masing kurva mewakili temperatur bola

basah pada sumbu horizontal dan temperatur air dingin pada sumbu

vertikalnya dan mempunyai skala kenaikannya minimum 0.5oF dan

maksimum 5oF per inci. Ketiga kurva ini harus dibuat menjadi satu kurva

berdasarkan pada data-data cooling range, temperatur air dingin yang keluar

cooling tower dan sirkulasi air yang masuk pada cooling tower. Perhitungan

dari kinerja cooling tower ini adalah perbandingan perkiraan jumlah aliran air

yang diperkirakan (Qpredicteed) dengan jumlah aliran air yang diatur (Qadjusted)

hasil pengujian (gpm) dan dirumuskan dengan persamaan

Qadjusted test ( gpm)=Qtest (Pdesain

Ptest)

13 ( ρtest

ρdesain)

13

Kinerja CoolingTower=( Qadjusted

Q predic ted)∗100 %

C.8 Permasalahan Kinerja Cooling Tower

Kinerja dari cooling tower akan menurun disebabkan oleh penurunan kinerja

dari proses perpindahan panas yang terjadi pada cooling tower. Faktor-faktor yang

menyebabkannya antara lain :

Terbentuknya kerak (scale)

Ketika air menguap dari cooling tower dan meninggalkan kerak pada

permukaan paking yang berasal dari mineral-mineral yang terbawa dan tidak

larut di dalam air, maka kerak yang terbentuk akan berfungsi sebagai

penghalang pada saat terjadinya perpindahan panas antara udara dan air.

Terlalu banyaknya kerak (scale) yang terbentuk juga dapat sebagai tanda

adanya masalah dalam proses water treatment.

Mampatnya Pendistrubusian Air Sirkulasi (Clogged Spray Nozzles)

Tumbuhan lumut (algae) dan endapan-endapan yang terkumpul pada basin

cooling tower dapat juga terbawa ke distribusi air (spray nozzles) dan lama-

kelamaan akan mengakibatkan beberapa spray nozzles mampat. Hal ini akan

mengakibatkan tidak meratanya pendistribusian air ke paking-paking

sehingga mengurangi permukaan kontak air dengan udara pada proses

perpindahan panas. Masalah ini juga digunakan sebagai tanda adanya

masalah pada proses water treatment dan juga adanya masalah saringan yang

mampat.

Terganggunya Aliran Udara

Kurangnya aliran udara yang masuk cooling tower akan mengurangi

jumlah perpindahan panas yang terjadi antara air dengan udara. Kurangnya

udara yang mengalir dapat disebabkan oleh beberapa faktor antara lain :

o Kotoran yang terbentuk pada sisi masuk atau sisi keluar paking

o Kerusakan yang terjadi pada fan blade

o Berubahnya alignment motor dan kipas

o Kurang perawatan pada gearbox

o Turunnya kinerja fan motor

o Berubahnya besar sudut susunan fan blade

Jika berkurangnya aliran udara disebabkan oleh buruknya kinerja dari motor

atau fan, maka kemungkinan besar akan menyebabkan kerusakan

menyeluruh dari motor atau fan tersebut secara tiba-tiba.

Turunnya Kinerja Pompa Cooling Tower

Aliran air sirkulasi yang sesuai sangat penting sekali di dalam

pencapaian yang optimum pada proses perpindahan panas yang terjadi pada

cooling tower. Kegagalan pada bantalan pompa, kavitasi yang terjadi,

mampatnya saringan pada sisi masuk pompa, getaran berlebih yang terjadi

dan kondisi operasi yang di luar desain, semuanya itu akan menyebabkan

turunnya kinerja dari cooling tower. Selain itu juga akan mengakibatkan

kegagalan yang tiba-tiba pada pompa tersebut.

Documents

Apakah Menara Pendingin Itu