Cooling Tower (Menara Pendingin) A. Pengertian Menurut El. Wakil, menara pendingin didefinisikan sebagai alat penukar kalor yang fluida kerjanya adalah air dan udara yang berfungsi mendinginkan air dengan kontak langsung dengan udara yang mengakibatkan sebagian kecil air menguap. Dalam kebanyakan menara pendingin yang bekerja pada system pendinginan udara menggunakan pompa sentrifugal untuk menggerakkan air vertikal ke atas melintasi menara. Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range dan approach seperti yang terlihat pada gambar berikut. Gambar. Range dan approach temperatur pada menara pendingin Range adalah perbedaan suhu antara tingkat suhu air masuk menara pendingin dengan tingkat suhu air yang keluar menara pendingin atau selisih antara suhu air panas dan suhu air dingin, sedangkan approach adalah perbedaan antara temperatur air keluar menara pendingin dengan temperatur bola basah udara yang masuk atau selisih antara suhu air dingin dan temperatur bola basah (wet bulb) dari udara atmosfir.
Adapun sistem mesin pendingin yang paling banyak digunakan adalah sistem kompresi uap. Secara garis besar komponen sistem pendingin siklus kompresi uap terdiri dari: B. Kompresor, berfungsi untuk mengkompresi refrijeran dari fasa uap tekanan rendah evaporator hingga ke tekanan tinggi kondensor. C. Kondensor, berfungsi untuk mengkondensasi uap refrijeran kalor lanjut yang keluar dari kompresor. D. Katup ekspansi, berfungsi untuk mencekik (throttling) refrijeran bertekanan tinggi yang keluar dari konsensor dimana setelah melewati katup ekspansi ini tekanan refrijeran turun sehingga fasa refrijeran setelah keluar dari katup ekspansi ini adalah berupa fasa cair + uap. E. Evaporator, berfungsi untuk menguapkan refrijeran dari fasa cair + uap menjadi fasa uap B. Fungsi CoolingTower Cooling tower sangat dibutuhkan oleh industri sebab cooling tower merupakan bagian dari utilitas yang banyak digunakan. Dimana cooling tower memproses air yang panas menjadi air dingin yang digunakan kembali dan bisa dirotasikan. Cooling tower juga salah satu alat yang berfungsi mengolah air untuk mengatasi masalah polusi lingkungan. C. Prinsip Kerja Menara Pendingin Prinsip kerja menara pendingin berdasarkan pada pelepasan kalor dan perpindahan kalor. Dalam menara pendingin, perpindahan kalor berlangsung dari air ke udara. Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sehingga air yang tersisa didinginkan secara signifikan.
Gambar. Skema menara pendingin Prinsip kerja menara pendingin dapat dilihat pada gambar di atas. Air dari bak/basin dipompa menuju heater untuk dipanaskan dan dialirkan ke menara pendingin. Air panas yang keluar tersebut secara langsung melakukan kontak dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena pengaruh fan atau blower yang terpasang pada bagian atas menara pendingin, lalu mengalir jatuh ke bahan pengisi. Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet-bulb udara. Air yang sudah mengalami penurunan suhu ditampung ke dalam bak/basin. Pada menara pendingin juga dipasang katup make up water untuk menambah kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air ketika proses evaporative cooling tersebut. D. Jenis-jenis Menara Pendingin (Cooling Tower) Bagian ini menjelaskan dua jenis utama menara pendingin : menara pendingin jenis natural draft dan jenis mechanical draft. Menara pendingin jenis natural draft Menara pendingin jenis natural draft atau hiperbola menggunakan perbedaan suhu antara udara ambien dan udara yang lebih panas dibagian dalam menara. Begitu udara panas mengalir ke atas melalui menara (sebab udara panas akan naik), udara segar yang dingin disalurkan ke menara melalui saluran udara masuk
di bagian bawah. Tidak diperlukan fan dan disana hampir tidak ada sirkulasi udara panas yang dapat mempengaruhi kinerja. Kontruksi beton banyak digunakan untuk dinding menara dengan ketinggian hingga mencapai 200 m. Menara pendingin tersebut kebanyakan hanya digunakan untuk jumlah panas yang besar sebab struktur beton yang besar cukup mahal. Gambar. Menara pendingin natural draft aliran melintang Terdapat dua jenis utama menara natural draft : - Menara aliran melintang : udara dialirkan melintasi air yang jatuh dan bahan pengisi berada diluar menara. - Menara dengan aliran yang berlawanan arah : udara dihisap melalui air yang jatuh dan oleh karena itu bahan pengisi terletak dibagian dalam menara, walaupun desain tergantung pada kondisi tempat yang spesifik. Menara Pendingin Draft 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. Laju pendinginan menara draft mekanis tergantung pada banyak parameter seperti diameter fan dan kecepatan operasi, bahan pengisi untuk tahanan sistim dll.
Menara draft mekanik tersedia dalam range kapasitas yang besar. Menara tersedia dalam bentuk rakitan pabrik atau didirikan dilapangan sebagai contoh menara beton hanya bisa dibuat dilapangan. Banyak menara telah dibangun dan dapat digabungkan untuk mendapatkan kapasitas yang dikehendaki. Jadi, banyak menara pendingin yang merupakan rakitan dari dua atau lebih menara pendingin individu atau sel. Jumlah sel yang mereka miliki, misalnya suatu Menara delapan sel, dinamakan sesuai dengan jumlah selnya. Menara dengan jumlah sel banyak, dapat berupa garis lurus, segi empat, atau bundar tergantung pada bentuk individu sel dan tempat saluran udara masuk ditempatkan pada sisi atau dibawah sel. Tiga jenis menara draft mekanik dijelaskan dalam Tabel 1. Tabel 1. Ciri-ciri berbagai jenis menara pendingin draft (berdasarkan pada AIRAH)
Gambar. Menara Pendingin Forced Draft Gambar. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan
Gambar. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang Berdasarkan arah aliran udara masuk : - Cross flow - Counter current flow Berdasarkan cara pemakaian alat bantu seperti fan atau blower : - Induced draft (alat bantu berada dibagian puncak tower) - Force draft (alat bantu berada dibagian bawah tower) Berdasarkan kondisi aliran udara bebas tanpa alat pembantu : - Atmosphere (udara pada kondisi atmospheric mengalir bebas tanpa memakai penutup tower). - Natural draft (udara mengalir dalam udara pendinginan dari tower namun kondisi udara belum tentu atmospheric). E. Komponen CoolingTower Komponen dasar sebuah menara pendingin meliputi rangka dan wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel dan fan. Berikut ini adalah penjelasan mengenai komponenkomponen menara pendingin : 1. 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. Menara yang terbuat dari kayu masih tersedia, namun
beberapa komponen dibuat dari bahan yang berbeda, seperti wadah casing fiber glass disekitar rangka kayu, saluran masuk udara louvers dari fiber glass, bahan pengisi dari plastik dan kolam air dingin dari baja. Banyak menara (wadah dan kolam) nya terbuat dari baja yang digalvanis atau, pada atmosfir yang korosif, menara dan/atau dasarnya dibuat dari stainless steel.menara yang lebih besar kadangkala terbuat dari beton.fiber glass juga banyak digunakan untuk wadah dan kolam menara pendingin, sebab dapat memperpanjang umur Menara pendingin dan memberi perlindungan terhadap bahan kimia yang berbahaya. 2. Bahan Pengisi Biasanya menara pendingin menggunakan bahan pengisi untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Fill adalah jantungnnya menara pendingin. Fill berfungsi sebagai media kontak air dan udara sehingga terjadi perpindahan kalor (panas), dan dapat menghambat laju aliran air. Pada dasarnya ada dua tipe fill, yaitu : Jenis Percik (Splash) Gambar. Jenis Fill Percik (Splash).
Bahan pengisi berbentuk percikan/splash fill: dibuat dengan palang horizontal sehingga air membelah dan menetes dari bagian fill paling atas ke bagian bawahnya secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Bentuk palangnya berbeda-beda seperti narrow edge, palang bujur sangkar (square bars), Rough bars, kisi-kisi (grids),fill ini terbuat dari bahan yang berbeda-beda seperti kayu, alumunium, polysterine atau polyteline. Fillsplash adalah media kontak air dan udara sehingga terjadi perpindahan kalor (panas). Jenis Film (Non Splash) Gambar. Jenis Fill Film (Non Splash). Bahan pengisi berbentuk film: 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. Fill Film terbuat dari bahan yang berbeda-beda seperti kayu, cellulosesheets, asbestoscementsheets, dan waveform metal atau plastik. 3. Kolam Air Dingin Kolam air dingin terletak pada atau dekat bagian bawah menara, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi.kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin.dalam beberapa desain, kolam air dingin berada dibagian bawah seluruh bahan pengisi. Pada beberapa desain aliran yang
berlawanan arah pada forced draft, air di bagian bawah bahan pengisi disalurkan ke bak yang berfungsi sebagai kolam air dingin. 4. Saluran Udara Masuk Saluran udara masuk merupakan titik masuk bagi udara menuju menara.saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah menara (desain aliran berlawanan arah). 5. Draft Fan Draft fan berfungsi untuk mengirim aliran udara dari/menuju Menara pendingin untuk melakukan perpindahan kalor dengan air yang dilewati. Fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya sering digunakan dalam menara pendingin. Umumnya fan dengan baling baling/propeller digunakan pada menara induceddraft dan baik fanpropeller dan sentrifugal dua duanya ditemukan dalam menara forceddraft. Tergantung pada ukurannya, jenis fanpropeller 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. Bahan yang biasa digunakan untuk fan adalah alumunium, fiberglass dan baja yang digalvanis celup panas. Baling baling fan terbuat dari baja galvanis, alumunium, plastik yang diperkuat oleh fiberglass cetak. 6. Nosel Nosel berfungsi mendistribusikan 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 menara dengan beberapa potongan lintang yang memutar.bahan nosel terbuat dari PVC, kuningan, dan polipropilen. Ada beberapa tipe dari system distribusi air antara lain :
Distribusi Gravitasi Gambar. Sistem Distribusi Gravitasi. Distribusi gravitasi sebagian besar digunakan pada Menara pendingin aliran silang, terdiri dari suatu bejana dimana air panas mengalir ke dalam bejana tersebut dan dengan gaya gravitasi air akan mengalir melalui lubang lubang pada bejana sehingga air jatuh ke fill yang dibawahnya. Spray Distribusi Spray distribution sebagian besar digunakan pada menara pendingin aliran berlawanan, terdiri dari susunan pipa yang menyilang dengan menggunakan spray jenis nozzle. Gambar. Sistem Spray Distribusi.
Distribusi Putaran Distribusi putaran terdiri dari dua slot lengan distributor yang berputar melalui poros utama dimana air mengalir dengan tekanan rendah. Gambar. Sistem Distribusi Air Jenis Putaran.