PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA

Transkripsi

1 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 : MERCU BUANA PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA

2 2007

3 LEMBAR PERSETUJUAN Tugas akhir dengan judul : PERANCANGAN MENERA PENDINGIN UNIT CHILLER PT SUMCO INDONESIA Disusun oleh : Nama : Abdul Haris Nugroho NIM : Jurusan : Teknik Mesin Fakultas : 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

4 LEMBAR PERNYATAAN Tugas akhir dengan judul : PERANCANGAN MENERA PENDINGIN UNIT CHILLER PT SUMCO INDONESIA Disusun oleh : Nama : Abdul Haris Nugroho NIM : Jurusan : Teknik Mesin Fakultas : 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

5 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.

6 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 (T i, in ), temperatur air keluar (T l, out ), temperatur web bulb (T wb ) 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.

7 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 Pembatasan Masalah Maksud dan Tujuan Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tipe Sistem Pendinginan Air Menara Pendingin (Cooling Tower) Klasifikasi Menara Pendingin Atmospheric Cooling Tower...13

8 Natural Draft Cooling Tower Mechanical Draft Cooling Tower Spesifikasi Menara Pendingin Aliran Berlawanan Sistem Distribusi Air Panas Packing (Fill) Drift Eliminator Louver Analisa Menara Pendingin Aliran Berlawanan Analisa Perpindahan Panas dan Massa Analisa Kesetimbangan Kalor (Energi) Nilai Karakteristik Menara Pendingin Analisa Make Up Water Kehilangan Air karena Evaporasi Kehilangan Air karena Drift Kehilangan Air karena Blow Dow...34 BAB III ANALISA PERHITUNGAN PERANCANGAN Perhitungan Beban Panas dan Kebutuahan Air Pendingin Pada Kondensor Unit Pendingin Kondisi Proses Perhitungan Beban Panas Pada Kondensor...38

9 3.1.3 Perhitungan Kebutuhan Air Pada Kondensor Analisa Perencanaan Menara Pendingin Aliran Berlawanan Data-data Perancangan Perhitungan Nilai Karakteristik Menara Pendingin Perhitungan dengan Metode Numerik Perhitungan dengan Metode Steven Perancangan Fill (Packing) dan Tinggi Packed Menara Jumlah Packing Tinggi Packed Menara Pendingin Penentuan Luasan Dasar Perhitungan Kerugian Tekanan (Pressure Drop) Pressure Drop pada Packing Pressure Drop pada Drift Eliminator Pressure Drop pada Louver Perhitungan Daya dan Diameter Fan Daya Fan Diamter Fan Analisa Make Up Water Kehilangan Air karena Evaporasi Kehilangan Air karna Drift Kehilangan Air karena Blow Down Total Make Up Water yang Diperlukan.. 59

10 BAB IV ANALISA DATA DAN PEMILIHAN MENARA PENDINGIN 4.1 Data Hasil Perancangan Pemilihan Menara Pendingin Pengontrolan Kualitas Air Analisa Beban Kalor BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

11 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 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Natural Draft Cooling Tower...13 Induced Draft Counterflow Tower...15 Induced Draft Crossflow Tower...16 Sistem Distribusi Air...13 Gambar 2.8 Nilai Aliran Massa Udara Ekuivalen Gambar 2.9 Berbagai Tipe Deck Packing Gambar 2.10 Perpindahan Kalor dan Massa antara Udara dan Muka Basah Air Gambar 2.11 Profil Perpindahan Kalor Sensibel dan Kalor Laten Pada Interface Gambar 2.12 Pertukaran Energi dan Volume Deferensial Aliran Berlawanan...26 Gambar 2.13 Diagram Aliran Kerja Udara dan Air Gambar 2.14 Gambar Driving Force (hi-ha)...31 Gambar 2.15 Diagram Stevens... 32

12 Gambar 3.1 Sistem Menara Pendingin dan Chiller Gambar 3.2 Diagram P-H...37 Gambar 3.3 Diagram Perhitungan Faktor K.α. V L Gambar 3.4 Distribusi Temperatur dalam Volume Gambar 3.5 Skema Variasi (hi-ha)... 46

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Faktor Konstanta dari Berbagai Tipe Deck (packing) Tabel 3.1 Tabel 3.2 Kondisi Proses Tiap Titik Diagram P-h...38 Hasil Perhitungan Entalpi Driving Force Untuk Setiap Volume Bagian... 45

14 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Grafik Psikometri Lampiran 2 Sifat-sifat Termodinamika Udara Lembab...69 Lampiran 3 Diagram Tekanan-Entalphi untuk R Lampiran 4 Diagram Tekanan-Entalphi untuk R-11 Lanjutan Lampiran 5 Tbel Sifat-sifat R Lampiran 6 Tabel Sifat-sifat Air (Cair Jenuh) Lampiran 7 Tabel Pemilihan Laju Aliran Air dan Temperatur Lampiran 8 Tabel Spesifikasi dan Ukuran Cooling Tower Lampiran 9 Induced Draft Cooling Tower Model LBC

15 DAFTAR PUSTAKA 1. Ernest Ludwig, Applied Process Design For Chemical and Petrochemocal Plant, Volume 2, London Nicholas P.Cheremissinof, Cooling Tower, Selection, Design, and Practice, Michigan Rosaler, Robert C, The Standard Handbook of plant Engineering, 2 nd Edition, New York, Liang Chii Cooling Towerr, Buku Petunjuk, Jakarta 1994.

16 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

17 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 Udara Menara Udara Pompa Pompa Sumber Make- up Water 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

18 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.

19 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.

20 BAB III ANALISA DAN PERHITUNGAN PERANCANGAN Bab ini berisi study kasus perhitungan dan analisa perancangan dari suatu cooling tower pada sistem penyegaran udara seperti kebutuhan air kondensor, perencanaan dimensi menara 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.

21 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 air 1 : 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, 2 nd Edition, Rosaler, Robert C., New York, 1995

22 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, 2 nd 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,

23 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, 2 nd 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.

24 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

25 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 = kj/jam = kwatt pada kondisi : Temperatur bola basah udara sekitar 27 O C Temperatur air masuk 37 O C

26 Temperatur air keluar 32 O C 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 ( O F) 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 27 O C, 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

27 menentukan temperatur air keluar. Hubungan antara kedua parameter tersebut dapat dinyatakan dengan pendekatan (Approach). Pendekatan, O C = (Temperatur air keluar menara pendingin, O C) (Temperatur bola-basah) dari udara atmosfir, O C). 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 Klasifikasi Menara Pendingin Cooling Tower biasa dikategorikan berdasarkan bagaimana caranya air dan udara berinteraksi. Menurut cara pengaliran udara

28 sebagai medium pendingin air, menara pendingin dapat diklasifikasikan menjadi 3 jenis 2, yaitu : 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 Natural Draft Cooling Tower Natural Draft Cooling Tower merupakan menara pendingin yang mengalirkan udara secara alami dengan memanfaatkan ketinggian cerobong seperti terlihat pada gambar Rosaler, Robert C., The Standard Handbook of Plant Engineering, 2 nd Edition, New York, 1995

29 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 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 : 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.

30 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 : 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.

31 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 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

32 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 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).

33 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 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. P = N' BG 2 a ρ G + N' C' S F LG 2 E ρ G...(2-1) 3 dimana : N = jumlah packing dalam menara pendingin lbm G a = laju aliran udara per luasan penampang 2 h. ft lbm L = laju aliran air per luasan penampang 2 h. ft G E ρ G = laju aliran udara ekivalen = massa jenis udara rata-rata kondisi masuk dan keluar 3 Ernest Ludwig, Applied Pocess Design For Chemical And Petrochemical Plants, Volume 2, London 1984

34 lbm menara 3 ft B,C S F = 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 : KaV L n L = A' N' G... (2-2) a dimana : Kα V L = nilai karakteristik menara pendingin N = jumlah packing atau deck L G a = 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.

35 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 lbm/ft 3, akan bervariasi harganya yaitu 0.01 inch air pada G a = 800 h.lbm/ft 3, hingga inch air pada G a = 2000 lbm/h.ft 3, yang mendekati garis

36 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. V ud G a =... (2-3) ρ G 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 lbm/ft 3 akan bervariasi harganya yaitu 0.02 inch air pada kecepatan 400 lbm/ft 3, dan 0.32 inch air untuk kecepatan udara 1600 fpm. Sedangkan untuk mencari kecepatan ucara dapat digunakan persamaan berikut : Q ud V ud =... (2-4) 4 S L Dimana : Q ud = laju aliran volume udara (ft 3 /m) S L = Luas total muka louver (ft 2 ) Analisa Menara Pendingin Aliran Berlawanan 4 Ernest Ludwig, Applied Pocess Design For Chemical And Petrochemical Plants, Volume 2, London 1984

37 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) 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 (T a ) dengan muka basah air (T i ). 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

38 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 (q o ) akan sama dengan kalor sensibel yang meninggalkan muka basah (q s ) ditambah kalor laten yang berdifusi ke dalam udara (q L ). q o = q s = q L... (2-5) kondisi proses di atas dapat ditunjukkan dalam gambar 2.11 berikut ini :

39 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. Dq s = h e. (T i T 2 ) da... (2-6) Dimana : q s = laju perpindahan kalor sensibel dari muka air ke udara (Btu/sec ) h e = koefisien perpindahan kalor konveksi 0,57 BTU/h.feet 2. 0 f A = Luas permukaan feet 2 Laju perpindahan massa dari muka air ke udara sebanding dengan beda tekanan, (Ps i Ps a ). Rasio kelembaban campuran udara uap air juga sebanding dengan parsial uap air dalam kondisi jenuh. Sehingga dapat dibuat hubungan kesetimbangan sebagai berikut :

40 Laju perpindahan massa = K. (Wi Wa). da...(2-7) Dengan : K = tetapan kesetimbanan, (kg/m 2 ) 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 : dq L = K. (Wi Wa).h fg. da...(2-8) Dimana : q L = laju perpindahan kalor laten, W h fg = 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 (h i ) dan entalpi udara yang mengalir (h a ), (h i h a ). dq t = dq s + dq L...(2-9) Dengan mensubstitusikan persamaan (2-6) dan (2-8) ke dalam persamaan (2-9), maka didapatkan : dq s = h e. (T i T 2 ) da + K. h fg. (Wi Wa). da...(2-10)

41 Dengan mengganti harga, da = α.dv, dimana α, adalah luas efektif permukaan air persatuan volume menara (ft 2 / ft 3 ), maka persamaan di atas menjadi seperti berikut : dqt = h c (T i T 2 ).da + K h fg (Wi Wa). da... (2-11) = [h c α.t i.dv + K α.h fg. Wi.dV] [h e α.t a.dv + K. α.h fg. Wa. dv] atau, + + = a fg a c i fg i c W h K T h W h K T h dv K dq α...(2-12) dengan menambah persamaan (2-12) di atas dengan Cs (T i -T a ) Cs (T i T a ) dimana Cs adalah kalor spesifik udara basah K Kg J O., maka didapatkan persamaan berikut = )) ( ( ) ( ( a i s a i s a fg a c i fg i c T T C T T C W h K T h W h K T h dv K dq α... (2-13) + + = a fg a c a s i s a s i fg i c W h K T h T C T C T C W h K T h dv K dq α... (2-14a) ( ) = a s s i c s i s s i c s a fg a s i fg i s T C K C T h C T C K C T h C W h T C W h T C dv K dq α... (2-14b)

42 dq1 = K. α. dv s i fg i s a fg a s i s a 1 K. Cs K. Cs h c hc ( C. T + h. W ) ( C. T + h. W ) + C. T 1 C. T.... (2-14c) h c dq ( ) ( ) 1 = K. α. dv Cs. Ti + hfg. Wi Cs. Ta + hfg. Wa + Cs.( Ti. Ta ) (2-14d) K. Cs Mengingat bahwa harga, ( s Ti + h fg. Wi ) ( s Ta + h fg. Wa ) a C. = h dan C. = h, maka persamaan (2-14d) di atas dapat diubah dalam bentuk potensial entalpi, sebagai berikut : (h i -h a ). i h c dq1 = Kα. dv. ( hi h2 ) + Cs. ( Ti Ta ). 1...(2-15) K. C s harga h c K. C s, merupakan Lewis Number, dimana untuk air yang dikontakkan langsung dengan udara, Lewis Number mendekati 1 hc atau = 1, sehingga laju perpindahan kalor total dari muka air ke K. C udara adalah : s dq = K. α.( h h ) dv...(2-16) t i a Analisa Kesetimbangan Kalor (Energi) Analisa proses ketika udara bersinggungan dengan air pada temperatur yang berbeda dalam menara pendingin aliran berlawanan

43 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 h a +dh a da, Luas Volume diferensial t det h a G Kg/det udara Gambar 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

44 aliran tunak keadaan tunak (SSSF) menyatakan, jumlah energi yang masuk sistem sama dengan jumlah energi yang keluar dari sistem. G 1.H + L 1. C p.t = G 2. (h + dh) + L 2.C p + (T dt)... (2-17) Karena, G 1 = G 2 dan L 1 = L 2, maka : L.C p.dt = G.dH... (2-18) L.C p.(t 1 T 2 ) = G.(h 2 h 1 ) h 2 = h 1 + L/G. C p. (T 1 T 2 )...(2-19) Persamaan (2-18) menyatakan bahwa total perpindahan kalor yang dilepaskan oleh air sama dengan besar kalor yang diterima udara 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 : dq t = K.α. (h i h a ). dv = L.C p.dt = G. dh atau, K.α. (h i h a ). dv = L.C p.dt...(2-20) Sehingga persamaan di atas menjadi, K. α. dv L = dt Cp. h h i 2...(2-21)

45 dengan menggunakan harga C p untuk air 1 BTU O lbm. F, dan mengintegralkan persamaan (2-24) di atas, maka didapat. v K.α. dv T2 = 1 0 L T1 dt h i h a K. α. V L = T2 1 T1 dt h i h a... (2-22) harga K.α. V L merupakan fungsi dari dinamika aliran udara dan 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 L sering 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 L. α. V T2 = T1 dt h i h 2... (2-23) adapun faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik menara pendingin adalah : Temperatur udara luar Rasio laju aliran air dan udara

46 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 (T i in dan h i in) dan keluar dari menara pendingin pada kondisi (T i out dan h i out). Sedangkan udara yang masuk ke dalam menara pendingin (T a in dan h a in) dan keluar pada kondisi (T i out dan h i out). Maka persamaan (2023) dapat diselesaikan seperti berikut. K.α. V L = Tin Tout dt h i h a

47 K.α. V 1 = T L h i h a ( ) 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

48 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 : Y 1 = h i, in h a, out Y 1 = h i, out h a, in Y m = h i, m h a, m...(2-24) Sedangkan faktor tak berdimensi (f) sebagai fungsi dari Y m, dan Y 1 Y m Y 1 didapat dari diagram stevens (gambar 2.15) dengan cara mengeplotkan kedua variabel tersebut, sehingga persamaan (2-26) dapat diselesaikan seperti berikut.

49 K L. α. V Ti dt 1 2 = T2 h i h a T T = f. Y m...(2-25) Gambar 2.15 Diagram Stevens (J.L. Threlked, Thermal Environtment Engineering, Prentice Hall Inc, Englewood Cliff, N.J. 1962) 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

50 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 E W B = Make up water = Kehilangan air karena evaporasi = Kehilangan air karena drift atau Carried Over Loss = Kehilangan air karena Blowdown 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. (W 1 W 2 )...(2-27) Dimana : G W 2 W 1 = Aliran udara yang melalui udara pendingin = Rasio kelembaban untuk udara jenuh yang keluar dari menara = Rasio kelembaban untuk udara jenuh yang masuk ke menara 5 Nicholas P. Cheremissinof, Cooling Tower, Selection, Design, and Practice, Michigan 1983)

51 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 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 π c 1...(2-28) 6 Dimana : πc = cycle of concentration (harganya bervariasi antara 3 sampai 7) 6 Nicholas P. Cheremissinof., Cooling Tower, Selection, Design and Pactice, Michigan 1983)

52 B, E, W dalam %.

53 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

54 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 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) = 7 Psig (21,696 Psia) Temperatur Evaporator (Tev) = 41 O F (5 O C) Tekanan Evaporator (Pev) = -17 Psig (6,28 Psia)

55 Untuk air : Temperatur masuk kondensor (T in,c) = 96 O F (35,56 O C) Temperatur keluar kondensor (T out,c) = 86.0 O F (30 O C) 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

56 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( O F) P(P sia ) S( BTU o / lbm. F ) h( BTU / lbm ) Kondisi 1 32,2 6,28-19,0595 Campuran ,28 0,195 97,75 Uap panas lanjut ,494 0, ,35 Uap panas lanjut ,352 0, ,95 Uap panas lanjut ,696 0, ,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, ,8299 Uap jenuh 7c 83 14, ,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, ,2495 Uap panas lanjut 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 : m 1 = m 2 = m 3 = m 8, didapat dari : Q ev = m 1.q ev m 1 = h Q 2 ev h 1

57 200 BTU 300TR min =. = 762,46 lbm BTU min (97,75 19,06) / lbm 1TR / Untuk : m 8a dan m 8b, didapat dari tingkat kualitasnya. H 8a = (1 x) h 8 + h 8b x = h h 8a 8b h h r r = (23, ,0595) (98, ,0595) BTU lbm BTU lbm = 0,0523 maka didapat : m 8 = (1 x) m 8a m8 762,48 lbm min m 8a = = m8 804,556 lbm a = min (1 x) (1 0,0523) m 8b = x. m 8a = 0,05 x 804,556 lbm / min = 42,076 lbm / min Chek I : Persamaan kesetimbangan kalor pada ekonomiser 2 : 8 b m 8a.h 8a = m 8.h 8 + m 8b.h 8b 8 a 8 804,665 lbm / min. 23,2103 BTU / lbm = 762,48 lbm / min. 19,0595 BTU / lbm + 42,076 lbm / min. 98,4288 BTU / lbm ,986 BTU / lbm 18673,978 BTU / lbm

58 Untuk : m 7 = m 8a = 804,556 lbm / min Untuk : m 7 = m 7b, didapat dari tingkat kualitasnya, yaitu : h 7a = (1 x) h 7 + h 7b x = h h 7a 7b h h 7 7 (27, ,2103) BTU lbm = = 0, 0579 (100, ,2103) BTU maka didapat : lbm m 7 = (1 x) m 7a m 7a = m (1 7 x) 804,556 lbm min = = 854,004 lbm min 1 0,0579 m 7a = x. m 7a = 0, ,004 lbm / min = 49,4482 lbm / min Chek II : Persamaan kesetimbangan kalor pada ekonomiser 1 : 7 b m 7a.h 7a = m 7b.h 7b + m 7.h 7 7 a 7

59 854,004 lbm / min. 27,7046 BTU / lbm = 49,4482 lbm / min. 100,829 BTU / lbm + 804,556 lbm / min. 23,2103 BTU / lbm ,839 BTU / lbm 23659,843 BTU / lbm Untuk : m 6 = m 5 = m 7c = m 7a, = 854,004 lbm / min Untuk : m 4, didapat dari : Kesetimbangan kalornya yaitu : 7c 4 7b m 7a.h 7a = m 7b.h 7b + m 7.h 7 m 4 = = m 7 c. h7c m7b. h 4 h 7b 854, , , ,8299 BTU min 102,95 BTU lbm = 804,556 lbm / min Untuk : m 8c = m 4 = 804,556 lbm / min Untuk : m 3 didapat dari : Kesetimbangan kalornya yaitu : 8c 3 8b M 8a.h 8a = m 3.h 3 + m 8b.h 8b M 3 = = m 8 c. h8c m8b. h 3 h 8b 804, , ,076.98,4288 BTU min 100,35 BTU lbm = 762,48 lbm / min

60 Sehingga panas yang dilepaskan refrigeran dalam kondensor dapat dicari dengan persamaan berikut : Qc = m 5. (h 5 h 6 ) = 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 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 10 o F. Sehingga besarnya kebutuhan air pendingin dapat dihitung dengan cara sebagai berikut : Qca = m L. C Pair. ( T) Dimana : M L C Pair = laju aliran massa air = kalor spesifik air = 0,988 BTU / lbmo F 1 BTU / lbmo F

61 Sehingga didapat : m L = C Q pair ca ( T ) = 72846,49 BTU min 0 0 1BTU F(10 F) min = 7284,649 lbm / min (karena panas yang digunakan aktual, maka air dianggap aktual) Maka besarnya laju volume air yang melewati kondensor (Q L ) adalah: Q L = 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 : Q CT = 874,5 G pm. 4 / 3 = 1166 G pm 3.2 Analisa Perancangan Menara Pendingin Aliran Berlawanan Data-data Perancangan Dari data di lapangan dan hasil perhitungan pada sub bab 3.1 didapatkan data-data sebagai berikut :

62 Kondisi air pada Menara Pendingin : Temperatur air masuk (T i, in ) Temperatur air keluar (T i, out ) Laju aliran volume air (L) = 96 O F = 86 O F = 1166 GPM Kondisi Udara di sekitar Menara Pendingin Temperatur Bola Basah (Twb) Temperatur Bola Kering (Tdb) = 80 O F = 90 O F Entalpi udara masuk Menara Pendingin pada umumnya sama dengan temperatur bola basahnya, sehingga dari tabel psikometri didapat: H a,in = 43,69 BTU / lbm Dari data di atas maka, Prestasi menara pendingin : Range Pendingin Approach (hampiran) = 10 O F = 5 O F 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

63 wet bulb-cold water didapat nilai L / G sebesar 1,48 dan nilai K.α.V / L dalam range 1,0 2,0. Gambar 3.3 Diagram perhitungan faktor K.α.V / L Perhitungan Nilai Karakteristik Menara Pendingin 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 1 O F. Analisa untuk setiap bagian volume dengan menggunakan persamaan (2-19). h 1 = h O + L / G. C P (T 1 T 0 )

64 menjadi : Dengan menggunakan harga (lampiran 8), maka persamaan di atas h 1 = h O + L / G. (T 1 T 0 ) Gambar 3.4 Distribusi temperatur dalam Volume Bagian (0 1) : h 1 = h a + L / G. (T 1 T 0 ) = 43,69 BTU / lbm + 1,48 (87 86) = 45,17 BTU / lbm Entalpi udara rata-rata di bagian ini adalah : h h a = 1 + h , ,69 BTU = / lbm = 44,43 BTU / lbm 2