PENELITIAN KINERJA INDUCED DRAFT COOLING TOWER DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI SEBAGAI FILLING MATERIAL

Transkripsi

1 PENELITIAN KINERJA INDUCED DRAFT COOLING TOWER DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI SEBAGAI FILLING MATERIAL SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DIAN MORFI NASUTION NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 KATA PENGANTAR Alhamdulillah puji dan syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat, hidayah, dan karunia-nya serta nikmat kesehatan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik-baiknya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW, contoh tauladan dalam kehidupan ini. Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Termodinamika Teknik dengan judul "PENELITIAN KINERJA INDUCED DRAFT COOLING TOWER DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI SEBAGAI FILLING MATERIAL". Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Mora Oloan Nasution, BA dan (Ibu) Friatni Hastuti yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada adik-adik, yaitu Aulia Morfi Nasution, Aji Muthahari Morfi Nasution, dan Eprin Bahar Nasution. 2. Bapak Ir. H. M. Yahya Nasution, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3. Bapak Ir. Zamanhuri, MT yang juga banyak membantu dalam penelitian ini dalam perancangan water heater. 4. Bapak Dr. Armansyah Ginting, M.Eng (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya. 5. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

12 6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 7. Bapak Abdul Hadi, SE. Msi 8. Nurmaliza, SE yang setiap saat memberikan perhatian, semangat, dukungan, dan masukan dengan penuh kasih sayang. 9. Rekan satu tim, Oberman David S, Jefry SH, dan Henri, atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini. 10. Abang-abang stambuk 2004, tim riset sebelumnya yang telah membantu dalam penelitian ini. 11. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2005 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini, "Solidarity Forever". 12. Anak kos sofyan 88 periode 2003/2007 dan sahabat-sahabatku seluruhnya. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini dikemudian hari. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Allah SWT semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita semua. Medan, 12 Februari 2010 Penulis Dian Morfi Nasution

13 ABSTRAK Filling material (bahan pengisi) adalah komponen yang sangat berpengaruh terhadap kinerja menara pendingin, dimana permukaan kontak antara air dengan udara diperluas dan waktu kontaknya diperpanjang. Salah satu bentuk bahan pengisi yang paling mutakhir adalah bentuk inclined honey comb yang terbuat dari lembaran PVC tipis yang harganya cukup mahal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menemukan suatu jenis bahan pengisi yang baru dengan tingkat efektifitas yang memadai dan harga yang terjangkau. Bahan pengisi yang diaplikasikan pada penelitian ini dibuat dari tumpukan potongan pipa PVC Ø½", Ø¾", dan Ø1". Skripsi ini menyajikan hasil penelitian dengan bahan pengisi dari pipa PVC Ø1", sedangkan ukuran yang lain disajikan oleh rekan-rekan lain yang juga merupakan anggota tim penelitian ini. Penelitian ini dilakukan dengan menguji beberapa parameter yang menunjukkan kinerja menara pendingin seperti range, approach, beban pendinginan, dan laju penguapan air yang mengaplikasikan bahan pengisi non-konvensional ini. Hasil penelitian diperoleh data-data utama yaitu ketinggian optimal bahan pengisi, berat bahan pengisi, suhu bola basah udara, debit air optimal, kebutuhan udara, dan harga bahan pengisi. Sehingga tampak bahwa potongan pipa PVC Ø½", Ø¾", dan Ø1" dapat direkomendasikan sebagai bahan pengisi yang cukup baik untuk menara pendingin selain inclined honey comb filling. Kata kunci: bahan pengisi, kinerja menara pendingin. ABSTRACT Filling material is a component that influence the performance of a cooling tower, where the contact surface and period between water and air are extended. One of the best forms of fill is the inclined-honeycomb form that is made from PVC lamellas which the price is quite expensive. The aim of this research is to find a new filling material with reliable effectiveness and affordable cost. The filling material itself was made from stacks of chopped PVC pipe with the size of Ø½", Ø¾", and Ø1". This paper itself provides the result from the research of Ø1" size of PVC filling material, while the other sizes are provided by the other members of this research. This research was conducted by examining some parameters that indicate the performance of a cooling tower such as range, approach, heat load and evaporation rate with this non-conventional filling material. The research show main points are height optimum filling material, weight of filling material, wet bulb temperature, water debit optimum, air volume and cost of filling material. So we can see that chopped PVC pipe with the size of Ø½", Ø¾", and Ø1" can be recomanded as a new filling material for cooling tower beside inclined honey comb filling. Key words: filling material, performance of a cooling tower.

14 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... vi DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR NOTASI... x DAFTAR LAMPIRAN... xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pengertian Menara Pendingin Fungsi Menara Pendingin Prinsip Kerja Menara Pendingin Konstruksi Menara Pendingin Klasifikasi Menara Pendingin Menara Pendingin Basah (Wet Cooling Tower) Menara Pendingin Kering (Dry Cooling Tower) Menara Pendingin Basah-Kering (Wet-Dry Cooling Tower) Kinerja Menara Pendingin BAB III METODOLOGI PENELITIAN Perencanaan Awal Penelitian Pemilihan Jenis Menara Pendingin Penempatan Menara Pendingin Perencanaan Instalasi Menara Pendingin Penentuan kapasitas aliran udara fan... 27

15 Penentuan cooling range menara pendingin Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin Perancangan kondensor sebagai penyedia air panas Perancangan konstruksi menara pendingin Pemilihan sprinkler Perencanaan instalasi menara pendingin Perencanaan bahan pengisi (filling material) Alat Ukur yang Digunakan Pelaksanaan Penelitian Perumusan hasil Penelitian BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Penelitian Pembahasan Hasil Penelitian Perbandingan Hasil Penelitian BAB V KESIMPULAN & SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

16 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi ketinggian filling material (Debit air masuk konstan 16,5 l/min) Tabel 4.2. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin Tabel 4.3. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin Tabel 4.4. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi kenaikan debit air (ketinggian filling material 12 cm) Tabel 4.5. Hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin Tabel 4.6. Hubungan antara debit air dengan RH udara keluar menara pendingin Tabel 4.7. Hubungan antara debit air dengan suhu udara keluar menara pendingin Tabel 4.8. Hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik Tabel 4.9. Hubungan kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin Tabel Hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin Tabel Hubungan kenaikan debit air terhadap laju penguapan air menara pendingin Tabel Hubungan kenaikan debit air terhadap rasio air dengan udara Tabel Perbandingan hasil penelitian filling material pipa PVC Ø ½ inci, Ø ¾ inci, dan Ø 1 inci Tabel Perbandingan spesifikasi menara pendingin yang mengaplikasikan inclined-honeycomb filling material dengan menara pendingin hasil penelitian... 63

17 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Range dan approach temperatur pada menara pendingin... 4 Gambar 2.2. Skema menara pendingin... 6 Gambar 2.3. Konstruksi menara pendingin... 7 Gambar 2.4. Splash Filling material... 9 Gambar 2.5. Film Filling material Gambar 2.6. Low-clog Film Filling material Gambar 2.7. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah Gambar 2.8. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang Gambar 2.9. Menara pendingin Forced Draft Gambar Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan Gambar Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang Gambar Menara pendingin aliran angin gabungan Gambar Menara pendingin kering langsung Gambar Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan kondensor permukaan konvensional Gambar Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase Gambar Menara pendingin basah-kering Gambar Diagram menara pendingin Gambar 3.1. Fan Gambar 3.2. Pompa Air Gambar 3.3. Diagram Temperatur Alat penukar kalor Gambar 3.4. Pipa tembaga yang siap digunakan Gambar 3.5. Alat penukar kalor Gambar 3.6. Alat penukar kalor dan Steam Generator yang selesai dirakit Gambar 3.7. Rangka menara pendingin Gambar 3.8. Dimensi menara pendingin Gambar 3.9. Water Basin Gambar Sprinkler... 37

18 Gambar Skema instalasi menara pendingin Gambar Menara pendingin yang telah selesai dirakit Gambar Filling material Gambar Flowmeter Gambar Anemometer Gambar Thermometer Gambar Termohigrometer Gambar Pengukuran suhu udara dan kelembaban relatif (RH) Gambar Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian Gambar 4.1. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin Gambar 4.2. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin Gambar 4.3. Grafik hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin Gambar 4.4. Grafik hubungan antara debit air terhadap RH udara keluar menara pendingin Gambar 4.5. Grafik hubungan antara debit air terhadap suhu udara keluar menara pendingin Gambar 4.6. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik Gambar 4.7. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin Gambar 4.8. Grafik hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin Gambar 4.9. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan terhadap laju penguapan air Gambar Grafik hubungan kenaikan debit air terhadap rasio airudara Gambar Hubungan kebutuhan udara dengan luas penampang fill pada menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-15 dan hasil penelitian... 64

19 Gambar Hubungan debit air dengan luas penampang fill pada menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-30 dan hasil penelitian... 65

20 DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan A Luas penampang m 2 C p Panas jenis kj/kg C Cfm Cubic feet per minute ft 3 min D Diameter m h Tinggi lapisan fill (tumpukan) - h a Entalpi udara kering kj/kg h in Koefisien perpindahan kalor W/m 2. C di dalam pipa h f Entalpi air kj/kg h fg Latent heat of vaporization J/kg h out Koefisien perpindahan kalor W/m 2. C di luar pipa h v Entalpi uap air di udara kj/kg k Konduktivitas termal W/m. C L Panjang m m Debit air l/menit m Debit air spesifik l/min/m 2 sp. Nu Angka Nusselt - Pr Angka Prandtl - Q Kapasitas pendinginan kj/s Q sp Kapasitas pendinginan spesifik kj/s/m 2 R Tahanan termal C/W r Jari-jari m Re Angka Reynolds - RH Kelembaban relatif % T db Temperatur udara kering C T wb Temperatur bola basah udara C U Koefisien pindahan panas W/m 2 C menyeluruh. V Debit aliran udara m 3 /s v Kecepatan udara m/s

21 v Volum spesifik m 3 /kg µ Viskositas kg/m.s ρ Mass density kg/m 3 ω H Rasio kelembaban udara kg uap air / kg udara ω ω Rasio cair-gas udara kg air / kg udara kering ρ A Kerapatan air kg/l T Perubahan temperatur C ΔT m Log Mean Temperature Difference C

22 DAFTAR LAMPIRAN L.1. Carrier Psychrometric Chart L.2. Katalog menara pendingin Liang Chi Industry Co. Ltd L.3. Gambar kerja menara pendingin L.4. Foto-foto hasil penelitian