BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Umum Secara umum cooling tower dapat dikategorikan sebagai pendingin evaporatif yang digunakan untuk mendinginkan air atau media kerja lainnya sampai bertemperatur mendekati temperatur bola basah udara sekitar. Kegunaan utama dari cooling tower adalah untuk membuang panas yang diserap akibat sirkulasi air sistem pendingin yang digunakan pada pembangkit daya, kilang petroleum, pabrik petrokimia, pabrik pemrosesan gas alam, pabrik makanan, pabrik semikonduktor, dan fasilitas-fasilitas industri lainnya. Jika suatu pembangkit/pabrik tidak dilengkapi dengan cooling tower dan hanya menggunakan sirkulasi air pendingin sekali pakai, air pendingin yang telah digunakan dan mengalami kenaikkan temperatur selanjutnya dibuang ke laut, danau atau sungai yang ditentukan. Pembuangan sejumlah air hangat tersebut dapat meningkatkan temperatur sungai atau danau tersebut sehingga dapat merusak ekosistem lokal. Cooling tower dapat digunakan untuk membuang panas ke atmosfir sebagai pengganti angin serta difusi udara yang menyebarkan panas ke area yang lebih luas. 6

2 7 Gambar 2.1 Cara kerja Pada Menara Pendingin Cooling tower juga dimanfaatkan dalam upaya peningkatan produktifitas danefisiensi pada proses produksi di industri. Karena dalam beberapa hal di industry dibutuhkan tingkat efisiensi dan temperatur yang sesuai agar dapat bekerja secara maksimal. Untuk dapat menghasilkan suhu yang diinginkan, maka peralatan yang akan digunakan harus memenuhi kapasitas yang sesuai dengan beban pendinginan yang dimiliki oleh mesin yang akan digunakan. Untuk itu diperlukan perhitungan dan survey untuk menentukan besar beban dari pendinginan tersebut. Karena fluida yang keluar dari proses pengelasan, mempunyai suhu yang panas atau besar. Sehingga diperlukannya proses pendinginan agar fluida dari pengelasan tersebut suhunya dapat di stabilkan kembali. Fluida disini merupakan air dari sistem refrigerasi berkapasitas sedang dan besar air sebagai media pendingin kondensor.dikarenakan air memiliki kemampuan pemindahan kalor yang lebih baik.

3 8 2.2 Prinsip Kerja Cooling Tower Prinsip kerja dari menara pendingin berdasarkan pada pelepasan kalor dan perpindahan kalor. Dalam menara pendingin perpindahan kalor berlangsung dari air ke udara dengan menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan kealiran udara yang bergerak setelah melalui kondensor, temperatur air akan naik karena menyerap sejumlah kalor dari refrigerant di kondensor. Air panas ini lalu masuk melalui hot water inlet port pada cooling tower untuk seterusnya naik kebagian atas cooling tower tersebut. Air kemudian keluar melalui lubang-lubang yang ada pada sprinkler. Sprinkler akan berputar sambil melepaskan air dan mendistribusikannya secara merata dibagian atas cooling tower. Air yang keluar dari sprinkler ini kemudian masuk ke I dan bersinggungan dengan aliran udara yang arahnya berlawanan (air panas turun kebagian bawah cooling tower, sementara udara masuk dari bagian bawah untuk seterusnya keluar dari bagian atas). Pada saat persinggungan antara air dan udara, sejumlah kalor akan dilepaskan oleh air yang bertemperatur lebih tinggi ke udara yang bertemperatur lebih rendah. Sehingga mengakibatkan temperatur air akan turun. Temperatur air yang sudah dingin ini kemudian ditampung dibagian bawah cooling tower(basin) untuk kemudian disirkulasikan lagi menuju kondensor agar dapat menyerap kalor lagi. Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu kondensasinya sangat rendah mendekati suhu web-bulb udara. Pada saat persinggungan air dan udara, sujumlah air akan ikut terbuang ke udara, sehingga volume air akan berkurang. Untuk mengatasinya, maka make-up water yang dihubungkan dengan jalur air domestik (PAM) dengan dilengkapi pelampung akan tetap menjaga agar level air di penampung tidak berkurang.

4 9 Gambar 2.2 Prinsip Kerja Cooling Tower 2.3 Komponen Cooling Tower Komponen dasar sebuah cooling tower meliputi rangka dan wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel dan fan. Kesemuanya dijelaskan dibawah ini: Gambar 2.3 Kontruksi Cooling Tower

5 Rangka dan wadah. Hampir semua menara memiliki rangka berstruktur yang menunjang tutup luar (wadah/casing), motor, fan, dan komponen lainnya.dengan rancangan yang lebih kecil, seperti unit fiber glass, wadahnya dapat menjadi rangka Bahan Pengisi. Hampir seluruh cooling tower menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastic atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Terdapat tiga jenis bahan pengisi: Bahan pengisi berbentuk percikan/splash fill : air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Bahan pengisi percikan dari plastic memberikan perpindahan panas yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu. Gambar 2.4 Splash Fill

6 11 Bahan pengisi berbentuk film (film fill): terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak yang berdekatan dimana diatasnya terdapat semprotan air, membentuk lapisan film yang tipis dan melakukan kontak dengan udara. Permukaannya dapat berbentuk datar, bergelombang, berlekuk, atau pola lainnya. Jenis bahan pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan panas yang sama dalam volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash. Gambar 2.5 Film Fill Bahan pengisi sumbatan rendah (Low clog film fill) Jenis pengisi ini dengan ukuran flute yang lebih tinggi, saat ini sedang dikembangkan untuk mengatasi air yang keruh. Jenis ini merupakan pilihan terbaik untuk jenis air yang berasal dari laut karena adanya penghematan daya kinerja di bandingkan tipe bahan pengisi jenis percikan konvensional.

7 Kolam air dingin Gambar 2.6 Low Clog Flm Fill Kolam air dingin terletak pada atau dekat bagian bawah Cooling tower, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui cooling towe rdan bahan pengisi. Kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin Drift eliminators Alat ini menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfir Saluran udara masuk Ini merupakan titik masuk bagi udara menuju cooling tower.saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah menara (desain aliran berlawanan arah) Louvers Pada umumnya, cooling tower dengan aliran silang memiliki saluran masuk louvers. Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan aliran udara

8 13 ke bahan pengisi dan menahan air dalam cooling tower.beberapa desain cooling tower aliran berlawanan arah tidak memerlukan louver. Gambar 2.7 Louvers Nosel Alat ini menyemprotkan air untuk membasahi bahan pengisi.distribusi air yang seragam pada puncak bahan pengisi adalah penting untuk mendapatkan pembasahan yang benar dari seluruh permukaan bahan pengisi. Nosel dapat dipasang dan menyemprot dengan pola bundar atau segi empat, atau dapat menjadi bagian dari rakitan yang berputar seperti pada cooling towerdengan beberapa potongan lintang yang memutar. Gambar 2.8 Nosel

9 Fan Fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya digunakan dalam cooling tower. Umumnya fan dengan baling-baling/propeller digunakan pada cooling tower induced draft dan baik fan propeller dan sentrifugal dua-duanya ditemukan dalam menara forced draft. Tergantung pada ukurannya, jenis fan propeller yang digunakan sudah dipasang tetap atau dengan dapat dirubah-rubah/ diatur. Sebuah fan dengan baling-baling yang dapat diatur tidak secara otomatis dapat digunakan diatas range yang cukup luas sebab fan dapat disesuaikan untuk mengirim aliran udara yang dikehendaki pada pemakaian tenaga terendah. Baling-baling yang dapat diatur secara otomatis dapat beragam aliran udaranya dalam rangka merespon perubahan kondisi beban. Gambar 2.9 Fan Cooling Tower

10 Kerangka pendukung menara (tower supporter) Berfungsi untuk mendukung menara pendingin agar dapat berdiri kokoh dantegak. Tower supporter terbuat dari baja. 2.4 Klasifikasi Cooling Tower Cooling tower dapat diklasifikasikan menurut beberapa hal, antara lain: Menurut metode perpindahan panas a. Wet cooling tower (cooling tower basah) Pada cooling tower jenis ini, air panas didinginkan sampai pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur bola basah udara sekitar, jika udara relatif kering. Seperti udara jenuh yang melewati aliran air, kedua aliran akan relatif sama. Udara, jika tidak jenuh, akan menyerap uap air lebih banyak, meninggalkan sedikit panas pada aliran air. b. Dry cooler (pendingin kering) Cooling tower ini beroperasi dengan pemindahan panas melewati permukaan yang memisahkan fluida kerja dengan udara ambient. Dengan demikian akan terjadi perpindahan panas konveksi dari fluida kerja, panas yang dipindahkan lebih besar daripada proses penguapan. c. Fluid cooler (pendingin fluida) Pada cooling tower ini saluran fluida kerja dilewatkan melalui pipa, dimana air hangat dipercikkan dan kipas dihidupkan untuk membuang panas dari air.perpindahan panas yang dihasilkan lebih mendekati ke cooling tower basah, dengan keuntungan seperti pada pendingin kering yakni melindungi fluida kerja dari lingkungan terbuka.

11 16 Menurut metode pembangkitan aliran udara a. Natural draft (penggerak udara alami) Udara dialirkan dengan memanfaatkan gaya buoyancy melewati cerobong yang tinggi. Udara campuran secara alami meningkat sampai terjadi perbedaan densiti dengan udara kering, pendingin udara luar. Udara campuran panas memiliki densiti yang lebih kecil daripada udara yang lebih kering pada temperatur dan tekanan yang sama. Buoyancy udara campuran tersebut menghasilkan arus udara melewati menara. b. Mechanical draft (penggerak udara mekanik), Menara draft mekanik memiliki fan yang besar untuk mendorong atau mengalirkan udara melalui air yang disirkulasi. Air jatuh turun diatas permukaan bahan pengisi, yang membantu untuk meningkatkan waktu kontak antara air dan udara.hal ini membantu dalam memaksimalkan perpindahan panas diantara keduanya. Menurut letak kipasnya jenis ini terbagi menjadi dua, antara lain: 1. Induced draft Kipas pada cooling tower ini berada di bagian keluaran yang menghisap udara melintasi menara.hal ini menghasilkan kecepatan udara masukan rendah dan kecepatan udara keluaran yang tinggi, sehingga mengurangi kemungkinan resirkulasi udara. 2. Forced draft Pada cooling tower ini kipas terletak pada bagian masukan tower, sehingga menyebabkan kecepatan udara yang tinggi pada bagian masukan dan kecepatan yang rendah pada bagian keluaran.kecepatan yang rendah

12 17 pada bagian keluaran menyebabkan lebih mudah terjadi resirkulasi udara. Kerugian lainnya desain penggerak paksa membutuhkan daya motor yang lebih tinggi daripada desain kipas pada tipe induced draft. Keuntungan penggerak paksa adalah kemampuannya dalam bekerja pada tekanan statik yang tinggi. Menurut arah aliran udara terhadap aliran air: a. Aliran crossflow Pada tipe ini, aliran udara bergerak memotong secara tegak lurus terhadap aliran air pada bahan pengisi. Kemudian udara melintasi menara melalui bagian keluaran udara akibat gaya tarik dari fan yang berputar. Gambar 2.8 menunjukkan desain tipe cooling tower dengan aliran crossflow. Gambar 2.10 Cooling Tower Tipe Aliran Crossflow b.aliran counterflow Pada tipe ini, aliran udara pada saat melewati bahan pengisi (fill material) sejajar dengan aliran air dengan arah yang berlawanan.gambar 3 menunjukkan desain tipe cooling tower dengan aliran counterflow.

13 18 Gambar 2.11 Cooling Tower Tipe Aliran Counterflow 2.5 Analisa Performansi Cooling Tower Performansi cooling tower dievaluasi untuk mengetahui tingkat approach dan range yang terjadi terhadap nilai desain, mengidentifikasi area terjadinya pemborosan energi dan memberikan saran perbaikan. Untuk mengukur performansi maka perlu diketahui beberapa parameter operasional coolingtower,antara lain: Suhu udara wet bulb (Twb) Suhu udara dry bulb (Tdb) Suhu air masuk menara pendingin (Tw,in) Suhu air keluar menara pendingin (Tw,out) Suhu udara keluar (Ta,out) Laju aliran massa air (L)

14 19 Laju aliran massa udara (G) Sedangkan performansi dari cooling tower yang ditinjau antara lain: a) Range Merupakan beda antara suhu air masuk dan keluar cooling tower. Range yang tinggi menunjukkan bahwa cooling tower mampu menurunkan suhu air secara efektif, dan kinerjanya bagus. Secara matematis nilai range dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (1) sebagai berikut: Range ( C) = Tw,in Tw,out... (Persamaan 2.1) b) Approach Merupakan beda antara suhu air dingin keluar cooling tower dan suhu wet bulb ambien. Semakin rendah approach semakin baik kinerja cooling tower. Approach merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja cooling tower. Persamaan (2.2) digunakan untuk mengetahui nilai approach yang dapat dicapai oleh cooling tower. Approach ( C) = Tw,out Twb.(Persamaan 2.2) c) Efisiensi Termal Merupakan perbandingan antara range dan range ideal (dalam persentase), yaitu perbedaan antara suhu masuk air pendingin dan suhu wet bulbambient. d) Kapasitas Pendinginan (Qw)

15 20 Merupakan jumlah panas yang dibuang dari air, sebagai hasil dari kecepatan aliran masa air, panas spesifik (cpw) dan perbedaan suhu. Qw (kw). (Persamaan 2.3) e) Rugi Penguapan (E) Merupakan jumlah air yang diuapkan agar terjadi pendinginan. Jumlah air yang menguap dipengaruhi oleh panas laten air (hfg) itu sendiri: E (kg/s)..(persamaan 2.4) E (m3/jam) = x vf x (Persamaan 2.5) f) Rugi Blowdown (B) Rugi blowdown adalah kerugian yang diakibatkan oleh pembuangan sejumlah air sirkulasi untuk mencegah terjadinya konsentrasi larutan atau zat-zat lain pada air sirkulasi. Akibat konsentrasi larutan tersebut, maka larutan akan menjadi gumpalan-guimpalan yang dapat menyumbat saluran air sirkulasi, sehingga proses sirkulasi air terganggu. Besar nilai blowdown yang dibutuhkan bergantung pada range pendinginan yang dihasilkan dan komposisi zat-zat yang ada pada air makeup (suplai air pengganti). Tabel 1 menunjukkan nilai persentase blowdown menurut nilai konsentrasi air dan range pendinginan yang terjadi.

16 21 Tabel 2.1 Persentase blowdown (Marley Corp.) g) Drift Loss (D) Yaitu kerugian massa air akibat terbawa aliran udara yang melintasi cooling tower. Jumlah drift loss terjadi relatif dan dapat diperkecil dengan penggunaan drift eliminators pada cooling tower. Berikut nilai persentase untuk drift loss yang dapat dipakai saat informasi nilai persentase drift loss yang direkomendasikan dari pabrikan tidak diketahui. D = % dari L untuk cooling tower penggerak udara alami (natural draft) tanpa drift eliminators D = % dari L untuk induced draft cooling tower tanpa drift eliminators D = sekitar % dari L (atau kurang) jika cooling tower dilengkapi dengan drift eliminators. h) Laju Aliran Air Pengganti (Make-up) Merupakan suplai air pengganti akibat kerugian air untuk terjadinya proses pendinginan. Laju aliran air make-up minimum yang diperlukan merupakan jumlah akumulasi total kerugian yang terjadi.

17 22 Make-up = B + D + E (Persamaan 2.6) i) Perbandingan Air/Udara (L/G) Perbandingan L/G menara pendingin merupakan perbandingan antara laju aliran massa air dan udara. Menara pendingin memiliki nilai desain tertentu, namun variasi karena musim memerlukan pengaturan dan perubahan laju aliran air dan udara untuk mendapatkan efektivitas terbaik menara pendingin. Aturan termodinamika menyatakan bahwa panas yang dibuang dari air sama dengan panas yang diserap oleh udara sekitarnya. Oleh karena itu persamaan berikut dapat digunakan: L.cp,w(Tw,in Tw,out) = G(ha,out ha,in) (Persamaan 2.7)(Persamaan 2.8) Dimana: ha,out = entalpi udara keluaran (kj/kg) ha,in = entalpi udara masukan (kj/kg) j) 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 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,

18 23 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 2.9) 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 harga parameter tersebut diambil pada sisi masukan cooling tower jenis induced draft diambil pada sisi cooling tower.

19 24 b) Perhitungan Nilai KaV/L (NTU) Ini merupakan nilai karakteristik menara pendingin. 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 : Ka (Persamaan 2.10) 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 L/G perpotongan besarnya nilai (NTU)test sama dengan (NTU)desain. Kinerja Cooling Tower = x 100%...(Persamaan 2.11)

20 25 k) 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....(Persamaan 2.12) Kinerja Cooling Tower = X100%...(Persamaan 2.13) 2.6 Permasalahan Kinerja Cooling Tower Kinerja dari cooling towerakan menurun disebabkan oleh penurunan kinerja dari proses perpindahan panas yang terjadi pada cooling tower. Faktor faktor yang menyebabkanya antara lain : Terbentuknya kerak (scale)

21 26 Ketika air menguap dari cooling tower dan menonggalkan kerak pada permukaan paking yang berasal dari mineral mineral yang terbawa dan tidak larut di dalam air, maka kerak yang terbentuk akan berfungsi sebagai pengalang pada saat terjadinya perpindahan panas antara udara dan air. Terlalu banyaknya kerak yang terbentuk juga sebagai tanda adanya masalah dalam proses water treatment. Manfatnya Pendistribusian Air Sirkulasi (Clogged Spray Nozzles) Tumbuhan lumut dan endapan endapan yang terkumpul pada basin cooling tower dapat juga terbawa ke distribusi air spray Nozzles). Hal ini akan mengakibatkan tidak meratanya pendistribusian air ke paking paking sehingga mengurangi permukaan kontak air dengan udara pada proses perpindahan panas. Masalah ini juga digunakan sebagai tanda adanya masalah pada proses water treatment dan adanya masala saringan yang mampat. Terganggunya Aliran Udara Kurangnya aliran udara yang masuk ke dalam cooling towerakan mengurangi jumlah perpindahan panas yang terjadi antara air dan udara. Kurangnya udara yang mengalir dapat disebabkan oleh beberapa faktor antara lain : o kotoran yang terbentuk pada sisi masuk atau sisi keluar paking o kerusakan yang terjadi pada fan blade o berubahnya alignment motor dan kipas o kurang perawatan pada gearbox o turunnya kinerja fan motor

22 27 o berubahnya bedar sudut susunan fan blade jika berkurangnya aliran udara disebabkan oleh buruknya kinerja dari motor atau fan maka kemungkinan akan menyebabkan kerusakan menyeluruh dari motor atau fan tersebut secara tiba tiba. Turunnya Kinerja Pompa Cooling Tower Aliran air sirkulasi yang sesuai sangat penting sekali di dalam pencapaian yang optimum pada proses perpindahan panas yang terjadi pada cooling tower. Kegagalan pada bantalan pompa, kavitasi yang terjadi dan kondisi operasi yang diluar desain, semuanya itu akan meyebabkan turunnya kinerja dari cooling tower. Selain itu juga akan mengakibatkan kegagalan yang tiba tiba pada pompa tersebut.