BAB III METODE PENELITIAN

Transkripsi

1 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Analisa Kinerja Cooling Tower Induced Tipe Induced Draft Cross Flow Sebelum menganalisa kinerja cooling tower akan dibahas mengenai data sfesifikasi desain cooling tower tipe Induced Draft Cross Flow perusahaan PT Indonesia Power. Sfesifiksi ini meliputi laju air sirkulasi, temperatur air masuk ( ), temperatur air keluar (Tcold water), temperatur wet bulb masuk (Twb inlet), temperatur wet bulb keluar (Twb exit), temperatur dry bulb masuk (Tdb inlet), relative humidity, daya motor kipas per sel, ketinggian cooling tower, beban kalor (Heat Load), karakteristik menara pendingin (KaV/L), perbandingan L/G dan jumlah fan. Analisa cooling tower yang di dapat adalah menggunakan kurva karakteristik cooling tower. Laju aliran udara yang masuk ke dalam coolingtower (G) dan mengurangi laju aliran air yang masuk kedalam cooling tower (L) serta meningkatkan luas permukaan perpindahan panas pada fill cooling tower serta kebersihan pada bagian bagian cooling tower dapat meningkatkan kinerja cooling tower. Selain itu beban suatu pembangkitpun mempengaruhi kinerja pada cooling tower. 28

2 Langkah langkah Metode Penelitian dengan Flowchart Mulai Observasi Lapangan dan Studi Literatur Mengumpulkan data Penurunan model matematis cooling tower Pengolahan, Pengujian dan Analisa Data Menghitung kinerja cooling tower Membuat simulasi menggunakan hitungan manual Penyusunan Laporan Selesai Metode Observasi lapangan dan studi Literatur Cooling Tower Berdasarkan hasil lapangan cooling tower yang dianalisa adalah jenis Induced draft cross flow cooling tower Data yang diambil di lapangan melalui jam operator adalah selama 1 hari selama 1x24 jam setiap harinya.metode yang dipergunakan untuk menganalisa kinerja cooling tower menggunakan pendekatan control (L/G)test dan NTU, serta analisa kemampuan cooling tower dimana yang dianalisa adalah perubahan temperature

3 30 air keluaran cooling tower, pengaruh perubahan temperatur wet bulb, laju aliran massa air input,temperature air sirkulasi (Hot Water) dan air keluaran cooling tower ( Cold Water),entalphi air,kerapatan campuran udara uap-air dan volume spesifikasinya. Kinerja cooling tower disimulasikan melalui model matematik. Dari hasil simulasi pada kurva karakteristik akan dapat dianalisa kinerja dan dapat diketahui nilai efisiensi cooling tower terhadap pengaruh temperatur ambient, laju aliran air yang masuk ke cooling tower, laju aliran udara yang masuk ke dalam cooling tower dan menganalisa kinerja fan cooling tower untuk meningkatkan kinerjanya Metode Pengambilan Data Data yang diambil merupakan data dari controling room ketika sedang beroperasi. Menggunakan alat alat digital. Sehingga angka yang diperoleh lebih akurat dan tepat Penurunan Model Matematis Cooling Tower Perhitungan pada menara pendingin melibatkan keseimbangan energi dan massa. Ada tiga jenis aliran fluida yang masuk dan yang meninggalkan sistem yang harus diperhitungkan untuk keseimbangan energi dan massa energi. Pada bagian berikut ini terlebih dahulu akan dibahas mengenai udar dan air (Air-Water System) yang berkaitan erat dengan perhitungan pada menara pendingin. Kelembapan (Humidity) Kelembapan 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 :

4 31 Humidity ( ) =...(Persamaan 3.1) Dimana : Mw = Laju aliran massa air ( kg/s) Ma =Laju aliran massa udara ( kg/s) Relative Humidity ( ) =...( Persamaan 3.2 ) Dikenal pula istilah-istilah lain utuk kelembapan yang umum, contohnya istilah temperatur dew point, yang diartikannya sebaga temperatur di mana gas atau udara dalam keadaan saturasi. Campuran udara-air pada keadaan yang temperatur dan kelembapannya terletak pada titik A didinginkan sampai mencapai temperatur dew point nya (Tdp), yang terletak pada kurva saturasi di mana 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 kelembapan 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 + Cpv...(Persamaan3.3) Di mana : Cpa = kapasitas panas spesifik udara kering (1 kj / kg)

5 32 Cpv = kapasitas panas spesifik uap air (1.88 kj / kg) Parameter-parameter lain yang juga dipertimbangkan adalah panas laten dari evaporasi, hlg hlg = hlgo + (Cpv Cpl) * (T )...(Persamaan 3.4) Di mana : hlg = panas laten evaporasi pada temperatur 0 o C ( K) Cpl = kapasitas panas spesifik (4.18 kj / kg) Temperatur Bola Kering (Dry Bulb Temperature) Temperatur bola kering 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 Boa 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 lembap, maka proses penguapannya akan lebih lambat sehingga mengakibatkan pembacaan temperatur bola

6 33 basahnya mendekati pembacaan temperatur bola kering. Pembacaan temperatur bola basah ini dilambangkan dengan lambang, Twb. Diagram psychrometric Diagram ini berhubungan dengan kelembapan relatif ( ), temperatur bola basah (Twb), temperatur bola kering (Tdb) dan juga berisi informasi tambahan seperti nilai entalpi dan volume spesifik. Dasar diagram psychrometric diilustrasikan dalam gambar berikut ini : Gambar 3.1 Pembacaan Diagram Psikometri Temperatur bola kering (Tdb) ditunjukkan oleh garis horizontal dan kelembapan ( ) 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

7 34 kurva dengan nilai kelembapan 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 spefisik bentuknya hampir mirip, tetapi turunnya agak lebih cuam. Untuk garis entalpi bentuk garisnya agak sedikit paralel dengan garis temperatur bola basah. Untuk udara dalam keadaan saturasi, nilai dari temperatur bola kering, nilai dari temperatur bola basah, dan temperatur dew point-nya akan mempunyai niai yangsama.diagram psychrometric ini dihitung dan dilukiskan pada tekanan atmosfir standar dan untuk penggunaan diagram psychrometic pada tekanan yang lebih dari 1 atm, nilai datanya harus dikoerksi untuk mengkompensasi akibat pengaruh tekanan atau di dalam perhitungan kita bisa langsung menggunakan tabel-tabel yang sudah dikeluarkan oleh Cooling Tower Institute. Perpindahan Panas dan Massa Teori dari proses perpindahan panas dan massa yang 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 entalpi antara lapisan tipis dan udara yang mengelilinginya menghasilkan driving force untuk tejadinya proses pendinginan. Penurunan bentuk persamaan dari melalui gambar berikut ini

8 35 Gambar 3.2 Skema Operasi Menara Pendingin Gambar tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : Besarnya laju aliran udara (G), laju aliran air (L), kelembapan 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 lbih rendah dari air yang masuk ke menara pendingin dan menyebabkan udara yang keluar menara pendingin dan memiliki tingkat kelembapan yang lebih tinggi. Kondisi-kondisi ini dapat dirumuskan sebagai berikut : Kesetimbangan energi yang terjadi pada udara : q + L1CpT1 = G(h2-h1)... (Persamaan 3.5) Dimana : h1 = Entalphi udara masuk cooling tower ( kg / kj)

9 36 h2 = Entalphi udara keluar cooling tower (kg /kj) G = Laju aliran massa udara (kg/s) L1= Laju aliran massa uap air masuk (kg/s) Kesetimbangan energi yang tejadi pada air : q = LCp(T3-T2) + L1 Cp (T2-T1)...(Persamaan 3.6) Penggabungan dua pesamaan di atas akan menghasilkan persamaan berikut : G (h2-h1) = LCp (T3-T2) + L1CpT2...(Persamaan 3.7) Jumlah air yang ditambahkan untuk mengganti air yang hilang akibat penguapan adalah : L1 = G ( 2-1)...(Persamaan 3.8) Dengan mensubtitusikan persamaan 3.3 dan persamaan 3.8, maka di dapat L1 = LCp (T3-T2) + l1cpt2...(persamaan 3.9) Penggabungan persamaan3.6 dan persamaan 3.9 akan menghasilkan : L1 q = L1CpT2 L1 =...(Persamaan 3.10)

10 37 Total perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower terdiri dari perpindahan kalor secara difusi dan perpindahan kalor secara konveksi, yaitu : qt = q = qd + qc...(persamaan 3.11) qd = L1, di mana = kalor laten penguapan air pada cooling tower Penggabungan persamaan 3.6 dengan persamaan 3.11 akan mendapatkan : q = LCp(T3-T2) + L1Cp (T2-T1) = qd + qa qc = LCp (T3 T2) + L1Cp (T2 T1) qd qc = Cp (T3 T2) + L1Cp ( T2- T1 ) L1 = = -1 = - 1 = (Persamaan3.12) Pada persamaan 3.12 ini menunjukkan perbandingan antara perpindahan kalor secara konveksi dengan perpindahan kalor secara konveksi dengan perpindahan kalor secara difusi.

11 38 Perpindahan panas sensible dari air pada temperature T ke udara pada temperature t dapat dirumuskan sebagai berikut : dqc = h(t-t)a x dv...(persamaan3.13) Dimana : a = luas efektif dari permukaan air persatuan volume cooling tower dv = turunan pertama dari volume cooling tower Luasan bidang perpindahan panasnya adalah : da = a x dv.....(persamaan 3.14) dqc = GCp dt... (Persamaan 3.15) dqd = λ x dl... (Persamaan3.16) di mana dl adalah laju difusi uap air. Dengan menggunakan hubungan kelembapan massa, maka dapat dituliskan sebagai berikut : dl = K(Ø Ø)a x dv... (Persamaan3.17) Dimana : K = Koefisien perpindahan massa secara menyeluruh Ø = Kelembapan pada temperature saturasi Ø = Kelembapan udara

12 39 Dengan mensubtitusikan persamaan 3.16 ke dalam persamaan 3.12, maka didapat : dqd = λ x K (Ø -Ø)a x dv...(persamaan3.18) Total perpindahan panas dq yang diberikan oleh persamaan 3.11 dan di dalam bentuk turunan pertama adalah : dq = dqc + dqd dq = h(t-t)a x dv + Kλ (Ø -Ø)a x dv...(persamaan3.19) Persamaan 3.19 dapat diubah menjadi : dq= [ h(t-t) + λ (Ø -Ø)] dq = [ (h x T + ) ( h x t + λø)]...(persamaan 3.20) Dengan menambahkan persamaan 3.20 dengan C. (T-t) lalu dikurangi dengan C. (T-t), maka akan didapat sebagai berikut : dq = Ka x dv Karena h = C x T +, dimana C adalah kalor kelembapan (humidity heat), maka : dq = K x a x dv...(persamaan3.21)

13 40 Pada persamaan ini, nilai dikenal dengan bilangan Lewis (Lewis Number) di mana besarnya untuksystem air-udara sama dengan satu, sehingga persamaan ini dapat disederhanakan menjadi : dq = K x a dv (h -h)...(persamaan3.22) dq dapat diartikan sebagai bentuk penurunan entalpi dari air atau bentuk kenaikan entalpi dari udara dan besar nilai keduanya adalah sama, sehingga : dq = d (LCpTair) = G x dh...(persamaan 3.24) untuk operasi cooling tower pada keadaan normal, besarnya jumlah air yang hilang akibat penguapan lebih kecil dari 2%, sehingga di dalam perhitungan dapat diasumsikan laju aliran airnya adalah tetap sebesar L. d (LCpT) = L x Cp x dt dan L = Cp x dt = G x dh dq = G x dh = L x Cp x dt = K x a x dv (h -h) G x dh = K x a x dv (h -h)...(persamaan3.25) Untuk keseimbangan energy secara keseluruhan (persamaan 3.7) adalah ; G(h2-h1) = LCp (T3-T2) + L1CpT2 Di mana L = L1+L2,maka : G(h2-h1) = LCp(T3-T2) + (L-L2)CpT2 G(h2-h1) = LcpT3-LCpT2 + LCpT2-L2CpT2

14 41 G (h2-h1)= Lcpt3-LsCpT2d Dimana : L2=Laju aliran massa uap air (kg/s) Dengan asumsi bahwa penguapan yang terjadi pada cooling tower diabaikan, L ~L2 maka : G(h2-H1) = LCp (T3-T2)...(Persamaan3.26) Dengan menyelesaikan persamaan 3.25, maka didapat bentuk persamaan menjadi : = K x a x Karena = LCpdT, maka didapatkan persamaan sebagai berikut : = K x a x...(persamaan 3.27) Kemudian persamaan 3.27 ini dikalikan dengan G/L dan besarnya nilai Cp untuk air adalah satu sehingga persamaannya menjadi : Ka =...(Persamaan 3.28) Dan untuk persamaan 3.26menjadi : G (h2-h1) = L (T3-T2)...(Persamaan3.29)

15 42 Besarnya nilai Ka dikenal juga sebagai unit bilangan perpindahan (Number of Transfer Unit) atau disebut juga sebagai karakteristik dari Cooling Tower. Persamaan 3.28 dan 3.29 secara grafik diilustrasikan pada gambar 3.3 yang melukiskan hubungan antara air-udara dan driving force yang dihasilkan pada cooling tower pada counterflow, di mana udara mengalir sejajar dengan aliran air dan mempunyai arah aliran yang berlawanan arah dengan aliran air. pemahaman pada gambar in sangat penting dalam memahami proses pendinginan yang terjadi pada cooling tower. Garis kerja udara dimulai pada titik C yang terletak tegak lurus di bawah titik B dan mempunyai nilai entalpi pada temperature bola basah di sisi masuk cooling tower. Gambar BC mewakili besarnya nilai pertama-tama dari driving force. (h -h). Pada setiap kebaikan 1 o F air dingin, maka besarnya kenaikan entalpi udara per pound nya (lb) dengan jumlah massa udara (lb0, yaitu : (L/G) x1 o F. Perbandingan nilai L/G ini 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 temperature (sumbu horizontal). Sementara besarnya nilai approach yang ditunjukkan pada gambar adalah perbedaan temperature antara air dingin yang meninggalkan menara dengan temperature bola basah sekitar menara. Titik kordinat yang secara langsung menunjukkan besar nilai temperature dan entalpi pada sembarang

16 43 titik terletak pada gareis kerja air, sedangkan pada gareis kerja udara hanya menunjukkan besarnya nilai entalpi.untuk menentukkan besarnya nilai temperature bola basah pada sembarang titik di garis CD, ditentukan dengan cara memproyeksikan titik tersebut secara horizontal ke kurva saturasi, kemudian secara vertical diproyeksikan lagi ke koordinat temperature. nilai integral dari persamaan 3.28 diwakili oleh luasan ABCD, sudut A adalah pada ujung titik Thw dan H1 pada diagram. Besarnya nilai ini dikenal sebagai karakteristik cooling tower, yang besarnya bervariasi tergantung pada besarnya nilai perbandingan L/G. sebagai contoh, pada penambahan temperature 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 mengubah besarnya sudut CD, dan setelah tercapai kesetimbangan cooling tower tersebut akan mempunyai nilai KaV/L baru.

17 44 Gambar 3.3 Diagram Operasi Menara Pendingin Untuk memperkirakan kinerja cooling tower sangatlah penting mengetahui karakteristik cooling tower yang dibutuhkan pada kondisi temperature ruang dan air yang tetap. Karakter (KaV/L) ini dapat dihitung dengan cara diintegralkan. Metode integral yang umum digunakan adalah metode Chebyshev, dengan melakukan perhitungan integral secara numerik yaitu : Ka = = x...(persamaan 3.30) Dimana : Nilai dari (h h) pada T1 + 0,1 (T1 T2) Nilai dari (h h) pada T1 + 0,4 (T1 T2)

18 45 Nilai dari (h h) pada T1 + 0,6 (T1 T2) Nilai dari (h h) pada T1 + 0,9 (T1 T2) Metode lain yang lebih cepat tetapi mempunyai keakuratan yang lebih rendah, yaitu menggunakan metode nomograph yang disebut oleh Wood dan Betts. Cooling Towerjenis mechanical draft biasanya didesain untuk besarnya nilai perbandingan L/G berkisar antara 0,75 sampai 1,50 dan besarnya KaV/L bervariasi antara 0,5 sampai 2,5. Gambar 3.4 Nomograph Karakteristik Menara Pendingin Perhitungan Dengan Menggunakan Kurva Karakteristik Dalam pengujian 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

19 46 pabrik pembuat yang nantinya akan digunakan di dalam perhitungan pengujian sebagai parameter parameter lain 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 sebahai berikut: a) Perbandingan Nilai Pengujian L/G (L/G) test =( ) ( )(L/G)..(Persamaan 3.31) Dimana : Qtest = Laju aliran air sirkulasi yang masuk ke cooling tower saat pengujian (gpm) Ptest = Daya kipas cooling tower yang terpakai saat pengujian (HP) test = Densitas udara basah saat pengujian (lb/ ) vtest = Spesifik volume udara pada sisi keluaran kipas ( /lb) Besarnya nilai desain dan pengujian fan inlet spesific volume (v) dan densitas ( ) dihitung dengan menggunakan persamaan kesetimbangan panas (heat balance). Untuk cooling tower jenis forced draft besarnya

20 47 harga parameter tersebut diambil pada sisi masukan cooling tower jenis induced draft diambil pada sisi cooling tower. b) Perhitungan Nilai KaV/L (NTU) Ini merupakan nilai karakteristik cooling tower. Dengan meggunakan 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 3.28 pada panas dan massa Ka...(Persamaan 3.32) c) Perhitungan Kemampuan Cooling Tower Besarnya nilai L/G dan KaV/L yang didapat dari pengolahan data hasil pengujian dapat digambarkan pada gambar karkteristik 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 cooling tower dapat ditentukan dengan cara berikut ini: Besarnya niai 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 LG perpotongan besarnya nilai (NTU)test sama dengan (NTU)desain.

21 48 Kinerja Cooling Tower = x 100%...(Persamaan 3.33) Perhitungan Dengan Menggunakan Kurva Kinerja Dalam menghitung dengan menggunakan kurva kinerja, terebih dahulu harus mempunai kurva kinerja 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 pada data data cooling range, temperatur air dingin yang keluar cooling tower dan sirkulasi air 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...(Persamaan3.34) Kinerja Cooling Tower = X100%...(Persamaan 3.35)

22

23