Perbandingan Unjuk Kerja Menara Pendingin Sistem Terbuka dan Tertutup Muhammad Hafil Nugraha Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia Abstrak - Dalam suatu siklus kondenser perpendingin air, air pendingin kondenser menyerap panas dari fenomena kondensasi refrijeran. Air pendingin tersebut perlu didinginkan kembali menggunakan sistem menara pendingin.terdapat dua jenis menara pendingin evaporatif yakni sistem terbuka dan tertutup. Dari kedua jenis menara pendingin ini terdapat perbedaan unjuk kerja yang perlu ditinjau. Unjuk kerja suatu menara pendingin bergantung pada nilai efektifitas, bilangan NTU, dan kapasitas pendinginan yang dihasilkan.untuk menara pendingin terbuka eksperimen dilakukan dengan menggunakan paking di dalam menara dan tidak menggunakan paking (non-paking) pada menara pendingin tertutup digunakan penukar kalor berupa koil dengan susunan bersilangan dengan diameter 3/8 inchi, yang memiliki jalur parallel. Peninjauan terhadap perbedaan unjuk kerja antara dua jenis menara pendingin perlu dilakukan dengan membandingkan hasil dari percobaan Kata kunci: Menara pendingin jenis terbuka dan jenis tertutup, nilai efektifitas, bilangan NTU, kapasitas pendinginan, perbedaan unjuk kerja.
I. PENDAHULUAN Dalam suatu sistem pengkondisian udara yang ada di gedung komersial maupun industri, sistem ini menghasilkan kalor yang dilepaskan. Contoh umumnya pada siklus refrijerasi yang dimana panas lingkungan diserap di evaporator dan dilepaskan pada kondenser. Kalor yang dihasilkan dari sistem ini tidak dimanfaatkan lagi sehingga dibuang ke atmosfer. Dalam hal ini, adalah penting suatu fluida difungsikan sebagai perantara perpindahan panas yang dihasilkan dari refrijeran kondensor. Gambar 1.1. Rangkaian Sistem Chiller berpendingin Air Sumber : (engfac.cooper.edu) Untuk sistem pengkondisian udara yang memiliki kapasitas besar, sistem pendinginan udara dengan air (water cooled condenser) sebagai perantara perpindahan panasnya menjadi pilihan utama. Air memiliki panas jenis yang jauh lebih besar dari panas jenis udara sehingga air memiliki kapasitas pendinginan yang lebih besar. Menara pendingin adalah alat penukar kalor yang dimana panas dari air pendingin dipindahkan ke udara atmosfir. Proses pemindahan panas tersebut terjadi karena kontak yang terjadi antar dua fluida / permukaan yang memiliki perbedaan temperatur.
Menara pendingin dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis. Pertama tipe terbuka atau kontak langsung dimana air yang didinginkan mengalami kontak langsung dengan fluida udara sehingga panas dari air terbuang ke atmosfer. Kedua, tipe tertutup atau kontak tidak langsung dimana kontak antar air yang didinginkan dengan atmosfer tidak terjadi.dari kedua jenis menara pendingin ini terdapat perbedaan unjuk kerja yang perlu ditinjau. Unjuk kerja suatu menara pendingin bergantung pada nilai efektifitas, bilangan NTU, dan kapasitas pendinginan yang dihasilkan. Berdasarkan hal-hal tersebut, peninjauan terhadap perbedaan karakteristik antara dua jenis menara pendingin perlu untuk dilakukan. Dalam penelitian ini akan dilakukan perbandingan unjuk kerja menara pendigin sistem terbuka dan sistem tertutup. II. ALAT UJI DAN METODE PENELITIAN Peralatan pengujian yang dipergunakan adalah Mass and Heat Transfer Experimental Apparatus, yakni peralatan penelitian perpindahan kalor dan massa. Kode dari alat ini ialah CT-336 V produksi Jepang. Diagram metode penelitian dapat dilihat pada gambar dibawah sebagai berikut : Gambar 2.2. Diagram Alir Penelitian
Jurnal, Juli 2013 Pertama dilakukan studi literatur tentang unjuk kerja suatu menara pendingin. kemudian dilakukan perhitungan koefisien keseluruhan perpindahan kalor, dengan korelasi-korelasi yang terkait dengan fenomena yang terjadi pada sistem menara pendingin sistem tertutup. Setelah itu dilakukan eksperimen dimulai dengan instalasi paking dan koil penukar kalor pada menara pendingin.kemudian dilakukan pengujian dengan berbagai variabel masukan dengan menjaga temperatur masukan air konstan 38 0 C. III. REDUKSI DATA Persamaan keseimbangan energi kalor pada menara pendingin dapat dituliskan :...(1) Nilai efektifitas dari kedua menara pendingin didapat dari hubungan antara range dan approach, yakni :...(2) dengan nilai Range = t 1 t 2, dan Approach = t 2 t w2 Persamaan metode merkel untuk menghitung unit bilangan pemindah (Number Transfer Unit) dapat dituliskan :...(3) Perhitungan make up water dapat dicari menggunakan persamaan :..(4)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Kesetimbangan Energi Grafik 2.1. Kesetimbangan energi antara sisi udara dan sisi air pada menara pendingin terbuka Grafik 2.2. Kesetimbangan energi antara sisi udara dan sisi air pada menara pendingin tertutup Nilai kesalahan dari perbandingan kesetimbangan pada eksperimen tidak melebihi 30% dari garis kesetimbangan, artinya eksperimen ini dapat cukup diterima.dari grafik, dapat menjadi catatan bahwa grafik menunjukkan nilai perubahan energi pada sisi udara cenderung lebih besar dari pada sisi air.
Pada grafik 4.1 dan 4.2 diketahui nilai Qa tipe terbuka mencapai 4000 watt, sedangkan pada tipe tertutup bernilai 1800 watt. Dan nilai Qw terbuka mencapai 3000 watt sedangkan pada tipe tertutup bernilai 1500 watt. Efektifitas Bola Basah Nilai efektivitas dari menara pendingin diperoleh dari persamaan (2) Grafik (4.3) dan (4.4) menunjukkan pengaruh laju alir massa udara dan air terhadap nilai efektivitas dari menara pendingin. Nilai efektivitas semakin tinggi seiring dengan semakin banyaknya massa udara yang dialirkan. Sebaliknya, nilai efektivitas semakin turun dengan bertambahnya jumlah air hangat yang didinginkan.. Pengaruh ini terjadi pada setiap pengambilan data pada variasi jenis menara pendingin terbuka dan tertutup Grafik 2.3 Efek penambahan aliran massa udara terhadap efektifitas menara pendingin terbuka
Grafik 2.4 Efek penambahan aliran massa udara terhadap efektifitas menara pendingin terbuka (non-paking) Grafik 2.5 Efek penambahan aliran massa udara terhadap efektifitas menara pendingin tertutup Dari grafik (4.3),(4.4), dan (4.5) nilai efektifitas terbesar dimiliki oleh menara pendingin terbuka menggunakan paking, kemudian non-paking,dan yang terakhir menara pendingin tipe tertutup. Nilai Range Menara Pendingin Nilai range adalah perbedaan temperatur air masuk dan keluar dari menara pendingin. Dari ketiga hasil percobaan menunjukan nilai range dipengaruhi oleh
efektifitas suatu menara pendingin dimana semakin besar efektifitas maka nilai range yang dihasilkan akan semakin tinggi. Grafik 2.6 Perbandingan nilai range dan efektifitas antar menara pendingin Dari ketiga variasi jenis menara pendingin, nilai range tertinggi diperoleh dari percobaan menara pendingin terbuka menggunakan paking, diikuti non-paking, kemudian menara pendingin tertutup. Nilai Approach terhadap Efektifitas Grafik 2.7 Perbandingan nilai approach terhadap efektifitas pada jenis menara pendingin
Nilai approach adalah beda antara suhu air yang keluar dari menara pendingin dengan temperatur bola basah sekitar. Semakin kecil nilai approach akan meningkatkan efisiensi kerja menara pendingin, dan begitu pula sebaliknya. Nilai approach dan efektifitas berbanding terbalik. Nilai approach terbesar dihasilkan oleh menara pendingin tertutup dengan rentang nilai (8-12 O C) dan terkecil dihasilkan oleh menara pendingin terbuka (paking) dengan rentang nilai (3-9 O C). Efektifitas semakin meningkat saat temperatur air keluar lebih rendah atau dengan kata lain nilai approach semakin kecil. Temperatur air yang lebih rendah menujukan efektifitas yang lebih tinggi. karena temperatur air yang keluar yang semakin mendekati temperatur bola basah lingkungan. Number of Transfer Unit (NTU) Nilai NTU merepresentasikan kinerja menara pendingin. Nilai ini akan cenderung konstan dengan berbagai variasi jumlah aliran air dan udara yang terjadi dalam sistem menara pendingin. Dengan persamaan (3), nilai NTU diselesaikan secara numerik, dan menghasilkan nilai yang diplot pada gambar. Grafik 2.8 Perbandingan bilangan NTU menara terbuka dan tertutup. Dari hasil percobaan yang dilakukan, perhitungan bilangan NTU dilakukan dengan 2 jenis menara pendingin terbuka dan 4 variasi laju alir massa dan laju alir
udara. Terlihat bahwa nilai NTU tidak bergantung kepada rasio L/G namun cenderung tetap dan tidak mengalami perubahan. Perbedaan yang terjadi ialah nilai NTU antara menara pendingin terbuka dan tertutup. Menara pendingin terbuka memiliki nilai bilangan NTU yang lebih besar dibandingkan menara pendingin tertutup, yakni antara 1.1 1.8 sedangkan tipe tertutup berkisar 0.4 0.6. Dari hasil percobaan tersebut dapat diketahui bahwa peristiwa perpindahan kalor dan massa lebih banyak terjadi pada menara pendingin terbuka dibandingkan dengan tipe tertutup. Hal ini juga dipengaruhi nilai range yang lebih tinggi oleh menara pendingin tipe terbuka. Kapasitas Pendinginan Secara umum, semakin besar laju massa air hangat, kapasitas pendinginan menara pendingin akan semakin besar. Namun, kapasitas pendinginan terbesar didapat dalam percobaan menara pendingin terbuka dengan paking. Kapasitas pendingin juga berbanding lurus dengan nilai range yang dihasilkan dari masing-masing jenis menara pendingin. Berikut hasil percobaan dari perhitungan kapasitas pendinginan. Grafik 2.9 Perbandingan kapasitas pendinginan menara pendingin terbuka dan tertutup.
Nilai Make Up Water Grafik 2.10 Perbandingan make up water dengan laju alir massa air Nilai make up water berbanding lurus kepada laju alir massa air. Pada jenis menara pendingin terbuka nilai tersebut memiliki nilai yang tertinggi dibandingkan jenis terbuka non-paking. Pada menara pendingin jenis tertutup nilai make up water cenderung bernilai konstan. Grafik 2.11 Perbandingan make up water dengan kapasitas pendinginan di menara terbuka
Grafik 2.12 Perbandingan kapasitas pendinginan dan make up water Grafik di atas (4.10 dan 4.11) menunjukkan bahwa nilai kapasitas pendinginan berbanding lurus dengan besarnya jumlah air tambahan (yang dihitung dengan persamaan (4)), yang pada menara tertutup merupakan massa air semprot yang terevaporasi. Semakin besar nilai make-up water teoritis, maka akan semakin meningkatkan kapasitas pendinginan akibat kalor laten air yang terevaporasi. Pada menara pendingin jenis tertutup nilai make up water bernilai kecil, karena air yang mengalam kontak langsung dengan udara merupakan air semprot yang memiliki nilai laju air massa yang kecil pula.
V. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah : 1. Nilai efektifitas tertinggi berturut-turrut dimiliki oleh menara pendingin jenis terbuka dengan paking, non paking, dan jenis tertutup. 2. Nilai range tertinggi dan nilai approach terendah dimiliki oleh menara pendingin terbuka dengan paking, dan jenis tertutup memiliki nilai range terendah serta nilai approach tertinggi. 3. Efektifitas semakin meningkat saat temperatur air keluar lebih rendah atau dengan kata lain nilai approach semakin kecil serta nilai range semakin besar. 4. Nilai NTU tidak bergantung kepada rasio L/G namun cenderung konstan dan tidak mengalami perubahan. 5. Nilai NTU dari menara pendingin jenis terbuka lebih besar dibandingkan jenis tertutup. 6. Jumlah make up water berbanding lurus dengan laju alir massa air dan kapasitas pendinginan. 7. Jumlah make up water pada menara terbuka dengan paking lebih besar dibandingkan dengan non-paking dan sistem tertutup
DAFTAR PUSTAKA [1] ASHRAE Handbook, Fundamentals. 2005. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc., Atalanta. [2] ASHRAE Handbook, HVAC Sistem and Equipment. 2008. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc., Atalanta. [3] Cheremisinoff, N.P., Cheremisinoff, P.N. 1981. Cooling Towers Selection, Design, and Practice. Ann Arbor Science: Michigan. [4] Duan, Z., Zhan, C., Zhang, X. (2012). Indirect Evaporative Cooling: Past, Present And Future Potentials. Renewable and Sustainable Energi Reviews, 16. Pp. 6823 6850. [5] Facao, J., Oliveira, A. (2004). Heat And Mass Transfer Correlations For The Design Of Small Indirect Contact Cooling Towers. Applied Thermal Engineering, 24. Pp. 1969 1978. [6] Hasan, Ala Ali. 2005. Performance Analysis Of Heat Transfer Processes From Wet And Dry Surfaces: Cooling Towers And Heat Exchangers. PhD Dissertation, Helsinki University of Technology [7] Hasan, Ala. Siren, Kai. (2002). Theoritical and Computational Analysis of Closed Wet Cooling Towers and its Aplications in Cooling Buildings. Energy and Buildings, 34. Pp. 477-486 [8] Holman, Jack P., Lyold, John. 2010. HEAT TRANSFER. Mcgraw-Hill: New York. [9] Incropera, Frank P., Bergman, Theodore L. 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons, Inc: New York. [10] Panjaitan, John R. 1995. Karakteristik dan Unjuk Kerja Kondenser Evaporatif. Skripsi, Universitas Indonesia. [11] Shim, G.J., Baek, S.M., Moon, C.G., Lee, H.S. (2008). Performance Characteristics of a Closed Circuit Cooling Tower with Multi Path. Heat Transfer Engineering, 31. Pp. 992-997.
[12] Stabat, P., Marchio D. (2003). Simplified Model For Indirect-Contact Evaporative Cooling-Tower Behavior. Applied Energi, 78. Pp. 433 451. [13] Suardi, Karim. 1990. Karakteristik Fill Menara Pendingin Jenis Tekan Paksa, Aliran Lawan Arah. Skripsi, Universitas Indonesia.