BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Cooling Tower

Air adalah komponen terpenting dalam proses industri. Pada sistem utilitas

terdapat beberapa jenis air yang digunakan dalam proses suatu industri. Salah satu

contohnya adalah air pendingin. Kebutuhan air pendingin yang sangat besar pada

proses industri sehingga, tidak dapat diproduksi secara tradisional. Permasalahan

ini mendorong timbulnya teknologi pendingin yang pertama kali ditemukan yaitu,

teknologi pendinginan udara. Selanjutnya teknologi yang ditemukan adalah

pendingin air karena dengan metode ini, proses pendinginan menjadi lebih stabil.

Semakin pesatnya perkembangan teknologi, maka untuk mendinginkan air yang

telah digunakan pada suatu proses sebelum dibuang ke lingkungan menggunakan

teknologi cooling tower.

Sistem mesin pendingin yang paling banyak digunakan adalah sistem

kompresi uap. Sistem dengan siklus kompresi uap menggunakan prinsip

termodinamika. Prinsip termodinamika dimana terjadi dua proses isothermal yang

terjadi pada kompresor dan evaporator. Secara garis besar komponen sistem

pendingin siklus kompresi uap terdiri dari:

1. Kompresor, berfungsi untuk mengkompresi refrigeran dari fasa uap yang

memiliki tekanan rendah pada evaporator hingga ke tekanan tinggi pada

kondensor.

2. Kondensor, berfungsi untuk mengondensasi uap refrigeran kalor yang keluar

dari kompresor.

3. Katup ekspansi, berfungsi untuk mencekik (throttling) refrigeran bertekanan

tinggi yang keluar dari konsensor dimana setelah melewati katup ekspansi ini

tekanan refrigeran turun sehingga fasa refrigeran setelah keluar dari katup

ekspansi ini adalah berupa fasa cair dan uap.

4. Evaporator, berfungsi untuk menguapkan refrigeran dari fasa cair dan uap

menjadi fasa uap.

Cooling tower didefinisikan sebagai alat penukar kalor yang fluida kerjanya

adalah air dan udara. Udara berfungsi mendinginkan air melalui kontak langsung

dengan udara yang mengakibatkan sebagian kecil air menguap. Cooling tower

lebih efisien untuk menurunkan suhu air dibandingkan peralatan lain yang hanya

menggunakan udara untuk membuang panas. Pada cooling tower apabila terjadi

perubahan temperatur maka akan perbedaan laju perpindahan massa dan

perpindahan panas.

2.2. Prinsip Kerja Cooling Tower

Cooling tower merupakan sistem penukar panas dari fluida ke udara, dimana

umumnya zat yang didinginkan adalah fluida cair. Prinsip kerja cooling tower

berdasarkan pada pelepasan kalor dan perpindahan kalor. Dalam cooling tower,

perpindahan kalor berlangsung dari air ke udara. Cooling tower 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 2.1 Diagram Sistem Menara Pendingin

(Sumber: laboratorium nasional pacific northwest, 2001)

Penggunaan cooling tower telah meluas terutama untuk keperluan

pendinginan fluida pendingin yang akan digunakan lagi (pada close circle system)

ataupun dibuang kelingkungan sebagai limbah (pada open circle system).Cooling

tower ini beroperasi menurut prinsip difusi, dimana adanya perubahan temperatur

dapat mengakibatkan perbedaan besarnya laju perpindahan massa yang terjadi.

Besarnya laju perpindahan massa dan perpindahan panas dipengaruhi oleh:

1. Luas daerah kontak antara fluida panas dan fluida dingin.

2. Lamanya waktu kontak.

3. Kecepatan fluida.

4. Temperatur fluida.

2.3. Macam-macam Cooling Tower

Cooling tower terbagi beberapa macam antara lain:

1. Berdasarkan arah aliran udara masuk

a. Cross flow

b. Counter current flow

2. Berdasarkan cara pemakaian alat bantu seperti fan atau blower

a. Induced draf (alat bantu berada dibagian puncak tower)

b. Force draf (alat bantu berada dibagian bawah tower)

3. Berdasarkan kondisi aliran udara bebas tanpa alat pembantu

a. Atmosfer (udara pada kondisi atmosferik mengalir bebas tanpa memakai

penutup tower).

b. Natural draf (udara mengalir dalam udara pendinginan dari tower namun

kondisi udara belum tentu atmosferik).

2.4. Jenis Cooling Tower

Cooling tower dibagi ke dua jenis utama:

1. Cooling Tower Mechanical Draft

2. Cooling Tower Natural Draft

Desain untuk cooling tower natural draft menggunakan cerobong beton

sangat besar untuk mempermudah udara masuk sampai media. Dalam kaitan

dengan ukuran dari menara ini (tinggi 500 ft dan diameter 400 ft didasar)

biasanya digunakan untuk air dengan laju alir di atas 200.000 gal/min. Pada

umumnya menara jenis ini hanya digunakan untuk pembangkit listrik.

Cooling Tower Mechanical Draft lebih banyak digunakan dibandingkan

Cooling Tower natural draft. Menara ini menggunakan fan besar untuk memaksa

udara masuk kedalam tower sehingga bertemu dengan air. Air jatuh mengarah ke

bawah di atas isi permukaan. Hal yang membantu peningkatan adalah waktu

kontak antara air dan udara. Cara ini memaksimalkan heat transfer antara

keduanya.

2.5. Fungsi Cooling Tower

Semua mesin pendingin yang bekerja akan melepaskan kalor melalui

kondensor, refrigeran akan melepas kalornya kepada air pendingin sehingga air

menjadi panas. Selanjutnya air panas ini akan dipompakan ke menara pendingin.

Menara pendingin secara garis besar berfungsi untuk menyerap kalor dari air

tersebut dan menyediakan sejumlah air yang relatif dingin untuk dipergunakan

kembali di suatu instalasi pendingin dengan kata lain, menara pendingin berfungsi

untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan

mengemisikannya ke atmosfir. Menara pendingin mampu menurunkan suhu air

lebih rendah dibandingkan dengan peralatan-peralatan yang hanya menggunakan

udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu

biayanya lebih efektif dan efisien energinya.

2.6. Persyaratan Proses Cooling Tower

Umumnya batasan operasi cooling tower adalah pada suhu 120oF. Temperatur

air keluar biasanya lebih rendah dari 120oF. Pada saat temperatur air proses

melebihi 120oF perlu dilakukan tahapan evaporasi dengan menggunakan cooler

sehingga tidak terjadi kontak langsung antar air panas dan udara.

Temperatur air terendah yang mungkin didinginkan didalam cooling tower

tergantung pada wet bulb temperatur udara, tetapi ini bukanlah batasan mutlak

karena tekanan uap keluar dan wet bulb temperatur dalam cooling tower disebut

Approach.

Gambar 2.2. range dan approach temperatur pada cooling tower.

(Sumber: repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/Chapter.pdf)

Range adalah perbedaan suhu antara tingkat suhu air yang masuk menara

pendingin dengan tingkat suhu air yang keluar menara pendingin atau dapat

dikatakan selisih antara suhu air panas dan suhu air dingin. Sedangkan approach

adalah perbedaan antara temperatur air yang keluar menara pendingin dengan

temperatur bola basah udara yang masuk atau dapat dikatakan selisih antara suhu

air dingin dan temperatur bola basah (wet bulb) dari udara atmosfer. Temperatur

udara sebagaimana umumnya diukur dengan menggunakan termometer biasa

yang sering dikenal sebagai temperatur bola kering (dry bulb temperature),

sedangkan temperatur bola basah (wet bulb temperature) adalah temperatur yang

bolanya diberi kasa basah, sehingga jika air menguap dari kasa dan bacaan suhu

pada termometer menjadi lebih rendah daripada temperatur bola kering. Pada

kelembaban tinggi, penguapan akan berlangsung sangat lamban dan temperatur

bola basah (Twb) identik dengan temperatur bola kering (Tdb). Namun pada

kelembaban rendah sebagian air akan menguap, jadi temperatur bola basah akan

semakin jauh perbedaannya dengan temperatur bola kering. Dalam kebanyakan

menara pendingin yang bekerja pada sistem pendinginan udara menggunakan

pompa sentrifugal untuk menggerakkan air vertikal ke atas melintasi menara.

Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range dan approach.

A. Packing

Pengisian packing pada cooling tower harus memenuhi karakteristik sebagai

berikut:

1. Permukaan interfacial antara fuida yang akan didinginkan dengan fluida yang

mendinginkan besar.

2. Memiliki karakteristik aliran fluida yang didinginkan pada packing harus

terjadi pertukaran volume fluida yang besar melalui cross section tower yang

kecil tanpa loading/fleeding dan pressure drop yang rendah untuk gas.

3. Zat inert fluida dapat diproses secara kimia.

4. Mempunyai kekuatan struktural sehingga mudah dalam penanganan dan

instalasi.

5. Biayanya murah.

Terdapat dua cara pengisian packing, yaitu:

1. Random Packing

Jenis random packing yang digunakan, yaitu:

a. Rasching ring

b. Lessing ring

c. Partition ring

d. Belt saddle

e. Intalox saddle

f. Tellerate

g. Pall ring atau flexiring.

2. Regular Packing

Jenis regular packing yang digunakan, yaitu:

a. Rasching ring

b. Double spiral ring

c. Section through expanded metal packing

d. Wood grids

B. Water Make-Up

Perlengkapan make up untuk cooling tower terdiri dari penjumlahan evaporation

loss, drift loss dan blown down.

Rumus:

Wm = We + Wd + Wb Persamaan 1.1

Dimana:

Wm = Water make up.

Wd = Water drift loss.

Wb = Water blown down.

Evaporation loss dapat ditentukan dengan persamaan, yaitu:

We = 0,00085 Wc (T1 - T2) persamaaan 1.2

Dimana:

Wc = Sirkulasi water flow (gal/ min pada tower inlet)

T1 - T2 = Temperatur air masuk - temperatur air keluar (oF)

Drift adalah air yang naik ke atas (terdorong keatas) pada tower dischange

vapor.Drift loss adalah fungsi dari draft eliminator design yang bervariasi antara

0,1 dan 0,2 % dari air yang di supply ke tower. Perkembangan baru dalam

eliminator design memungkinkan untuk mengurangi menjadi dibawah 0,1 %.

Blown down mengurangi bagian dari sirkulasi air terkonsentrasi terhadap

proses evaporasi untuk menurunkan konsentrasi sistem solid. Blown dapat

dihitung berdasarkan jumlah siklus dari konsentrasi yang dibutuhkan untuk

membatasi scale formation. Siklus konsentrasi adalah rasio dari dissolved solid

pada air resirkulasi untuk memisahkan atau melarutkan solid dalam make up

water.

Kuantitas blowndown yang dibutuhkan:

Cycle of concentration =

We+WbWb =

WeWb

+1

Persamaaan 1.3

atau

Wb =

Wecycle−1

Persamaan 1.4

Cycles of concentration terlibat dengan operasi cooling tower normalnya pada

range 3-4 cycles. Di bawah 3 cycles of concentration, kuantitas excessiveblown

down terpenuhi dari penambahan asam untuk membatasi scale formation harus

dipertimbangkan.

C. Fan House Power

Pada cooling tower sumber daya yang digunakan sebagai pengeluaran udara

adalah fan atau blower, kecepatan tergantung dari berapa banyak air yang

diinginkan. Jumlah udara disirkulasikan melalui cooling tower dengankecepatan

10,2 m/s (2000 ft/min maksimum untuk menurunkan draft tower).Jumlah dari fan

tergantung pada faktor cooling tower, termasuk tipe fill, konfigurasi tower dan

kondisi thermal. Untuk menghitung output dari fan adalah sebagai berikut:

Static =

Q ⋅ hs ⋅ d33 . 000 ⋅ 12 Persamaan 1.5

Dimana:

Q = Volume udara (ft3/ min).

hs = Static head di dalam air.

d = Densitas air pada temperatur ambient (lb/ ft3).

D. Pump Horse Power

Pompa adalah salah satu bagian yang terpenting dari cooling tower untuk

mengalirkan air dari dasar cooling tower menuju bagian spray pada puncak

cooling tower. Tipe counter flow dari tower dengan spray nozzles akan memiliki

pumping head sama dengan static lift plus nozzles pressure loss. Tipe cross

flowdari tower dengan aliran gravitasi memungkinkan pumping head sama dengan

static lift. Cara menghitung reducing pompa adalah :

Pump bhp =

gal / min (ht )3. 960 ( pump efficiency ) Persamaan 1.6

Dimana:

ht = total head (ft).

E. Fogging dan Plume Abatement

Fenomena yang muncul dalam operasi cooling tower adalah fogging

(pengkabutan) yang menghasilkan visible plume (bulu-bulu yang kelihatan). Hasil

dari fogging dari mixing warm, tower pada highly saturated mengeluarkan udara

dengan cooler ambient air yang mengurangi kapasitas untuk mengabsorbsi

moisture sebagai uap.

2.7. Sistem Cooling Tower

Sistem air pendingin terutama terdiri dari menara pendingin dan bak

penampung, pompa-pompa air pendingin, sistem injeksi bahan-bahan kimia

seperti fosfat, asam sulfat, dan ID fan (Induced Draft Fan).

Menara pendingin adalah buatan Ecodyne.Menara tersebut terdiri atas suatu

kerangka yang terbuat dari redwood dan terletak di atas sebuah bak beton.Cooling

tower terbagi dalam 4 buah ruangan.Tiap ruangan terdiri atas satu ID fan yang

berkekuatan 200 HP. Baling-baling ID fan tersebut terbuat dari fiber glass. Suhu

air pendingin direncanakan 32,2oC (90oF) sedangkan air panas yang kembali

48,90C (120oF).

Sistem air pendingin merupakan suatu sistem sirkulasi tertutup dengan

kapasitas sirkulasi normal 7000 m3/jam. Pemakaian utama adalah untuk

pendinginan proses di Ammonia Plant, dan perlengkapan-perlengkapan tertentu di

Offsites.

Cooling water system pada garis besarnya dibagi menjadi 2 tipe, yaitu:

1. Recirculation Type

a. Open type. yaitu dimana sebagian air setelah mengalami pemanasan akan

diuapkan untuk proses pendinginannya kembali.

b. Close type, yaitu dimana air tidak mengalami proses penguapan untuk

pendinginnya kembali. Tipe ini biasanya dipakai untuk internal engine

combustion system.

2. Once Through Type(tergantung penggunaannya) yaitu sirkulasi air yang

digunakan hanya satu kali proses saja.

2.8. Faktor yang Berpengaruh Terhadap Cooling Water

1. Make Up Air Pendingin

Make up yang digunakan adalah filter water. Hal ini mempunyai pengaruh

yang besar karena filter water membawa beberapa komponen yang dapat

mengakibatkan timbulnya deposit maupun korosif.

2. Lingkungan Sekitar

Karena sebagai media pendingin dari air pendingin di cooling water adalah

udara yang diambil dari sekitarnya, maka tidak lepas dari kotoran atau benda

asing lainnya yang dibawa udara masuk ke sistem air pendingin, akibatnya

terkontaminasi.

3. Proses yang terkait

Yang dimaksud proses terkait adalah bentuk atau macam fluida yang

didinginkan. Hal ini biasanya terjadi karena kebocoran dari peralatan. Misalnya

Heat Exchanger untuk pelumas gas amonia atau gas sintesa apabila terjadi

kebocoran akan mengakibatkan kontaminasi air pendingin.

4. Bahan Kimia

Penggunaan bahan kimia melalui injeksi tidak terkontrol menimbulkan efek

samping, pengaruh ini lebih dominan bilamana jumlahnya semakin besar.

2.9. Klasifikasi Cooling Tower

Ada banyak jenis klasifikasi menara pendingin, namun pada umumnya

pengkasifikasian dilakukan berdasarkan sirkulasi air yang terdapat di dalamnya.

Menurut J.R. Singham [9] menara pendingin dapat diklasifikasikan atas tiga

bagian, yaitu:

1. Menara pendingin basah (wet cooling tower),

2. Menara pendingin kering (dry cooling tower),

3. Menara pendingin basah-kering (wet-dry cooling tower).

Setiap jenis menara pendingin ini mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-

masing.