BAB II LANDASAN TEORI

5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Menara pendingin basah adalah peralatan pembuang kalor berdasarkan mekanisme pendinginan air dengan menggunakan udara yang berkontak secara langsung dan menguapkan sebagian air tersebut [Instalasi Pembangkit Daya : M.M. EL-WAKIL:1992]. Aliran udara di menara pendingin basah ada yang dibantu kipas (fan) dan ada yang tanpa kipas (fan). Menara pendingin yang tanpa menggunakankipas(fan) dinamakan menara jujut alami dan yang menggunakankipas (fan) disebut menara pendingin jujut (draft) mekanik. Beberapa ciri-ciri menara pendingin jujut (draft) mekanik ditunjukkan tabel 2.1. Tabel 2.1. Ciri-ciri jenis menara pendingin jujut mekanik. Jenis menara pendingin Keuntungan Kerugian Jujut dorong/ (forced draft) : udara dihembus ke menara oleh fan di saluran udara masuk - Cocok untukresistansi udara yg tinggi karena adanya fan dengan blower sentrifugal. - Fan relatif tidak berisik Resirkulasi, laju udara masuk tinggi &keluar rendah, diselesaikan dengan menempatkan menara di ruangan pabrik digabung

6 dangan saluran buang aliran melintang jujut isap (induceddraft ): - Air masuk pada puncak& melewati isian -Udara masuk dari salah satu sisi (menara aliran tunggal), atau pada sisi berlawanan (menara aliran ganda) -IDF mengalirkan udara melintas isian menuju saluran keluar pada puncak aliran berlawanan jujut isap: -Air panas masuk pada puncak. Udara masuk dibawah& keluar pada puncak menggunakan FDF & IDF Lebih sedikit resirkulasi dari pada menara forced draft sebab kecepatan keluar nya udara 3 hingga 4 kali lebih tinggi daripada udara masuk Fan&mekanisme penggerak motor dibutuhkan yang tahan cuaca terhadap embun & korosi sebab mereka berada pada jalur udara keluar yang lembab Ket : FDF = forced draft fan; IDF = induced draft fan [Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia - www.energyefficiencyasia.org]

7 Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai akibatnya, air yang tersisa didinginkan secara signifikan (Gambar 2.1). Bergantung pada iklim setempat, mekanisme pembuangan panas dalam bentuk penguapan (evaporation) mengambil porsi 75 % di cuaca panas dan 60 % pada cuaca dingin dari beban pendinginan dan sisanya berupa penambahan panas sensibel ke udara [Instalasi Pembangkit Daya : M.M. EL-WAKIL:1992].Menara pendingin basah mampu menurunkan suhu air lebih rendah dari jenis peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil atau menara pendingin kering. Pembuangan kalor sensibel ke udara lebih besar pada cuaca dingin dibandingkan cuaca panas. Gambar 2.1. Skema sistim menara pendingin basah [Laboratorium Nasional Pacific Northwest, 2001]

8 Kehilangan sebagian air sirkulasi karena penguapan diantisipasi dengan sistem air tambahan (make-up water). Air tambahan juga untuk mengganti kehilangan air akibat hembus buang (blowdown), dan hanyutan. Hembus buang biasanya 20 %, dan hanyutan 2 s.d. 2,5 % dari kehilangan air karena penguapan. Menara pendingin basah jujut isap aliran lawan arah mempunyai sistem distribusi air yang menggunakan nosel penyemprotkan air turun ke inti menara (water sprayed downward) dimana udara berhembus naik (air blown up ward) untuk bersinggungan secara langsung dengan udara. Inti menara merupakan tempat terjadinya perpindahan panas dan massa sehingga air menjadi dingin. Inti menara ada yang dilengkapi dengan isian (fill) dan ada yang tanpa isian (gambar 2.2). Gambar 2.2. Menara pendingin jujut isap,lawan arah [Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia - www.energyefficiencyasia.org]

9 2.1.1 Komponen Utama Menara Pendingin a. Isian Terdapat tiga jenis bahan pengisi / isian : 1) Media Isian Penciprat (Splash Film). Media isian splash menciptakan area perpindahan panas yang dibutuhkan melalui cipratan air diatas media pengisi menjadi butiran air yang kecil. Luas permukaan butiran air adalah luas permukaan perrpindahan panas dengan udara. 2) Media Isian Selaput (Film Fill). Pada isian film, air membentuk lapisan tipis pada sisi-sisi lembaran pengisi. Luas permukaan dari lembaran pengisi adalah luas perpindahan panas dengan udara sekitar. Bahan pengisifilm dapat menghasilkan penghematan listrik yang signifikan melalui kebutuhan air yang lebih sedikit dan head pompa yang lebih kecil. 3) Bahan isian/pengisi sumbatan rendah (Low-clog film fills). Bahan pengisi sumbatan rendah dengan ukuran flute (jalur) yang lebih tinggi saat ini dikembangkan untuk menangani air yang keruh, yang merupakan pilihan terbaik untuk air laut karena menghemat daya dan kinerjanya lebih baik dibanding isian penciprat konvensional. Nilai desain berbagai jenis bahan pengisi (isian) ditunjukkan tabel 2.2.

10 Tabel 2.2 Nilai desain berbagai jenis bahan pengisi Splash Fill Film Fill Low Clog Film Fill Rasio L/G yang 1,1-1,5 1,5-2,0 1,4-1,8 mungkin Luas perpindahan panas yang efektif (m 2 /m 3 ) 30-45 150 85-100 Kebutuhan Tinggi 5-10 1,2-1,5 1,5-1,8 Bahan Pengisi (m) Kebutuhan Head 9-12 5-8 6-9 Pompa, m Kebutuhan Jumlah Tinggi Sangat Rendah Udara Rendah [BEE India, 2004; Ramarao; and Shivaraman] b. Reservoir Reservoir terletak pada bagian bawah menara pendingin yang digunakan untuk menampung air sirkulasi. Reservoir ini mempunyai saluran masuk dan saluran keluar. c. Kipas Kipas (fan) berfungsi sebagai alat untuk menghembuskan udara panas ke lingkungan sekitar. Kipas dipasang di puncak menara karena alat ini

11 menggunakan jujut hisap, sehingga udara masuk dari sisi menara bagian bawah dihisap melewati isian d. Make up water Make up water yang diperlukan menara pendingin merupakan sejumlah air yang digunakan untuk mengganti kehilangan sebagian air sirkulasi yang diakibatkan oleh hanyutan, penguapan dan kebocoran. 2.2 KINERJA MENARA PENDINGIN Perhitungan menara pendingin basah menyangkut neraca energi dan nerasa massa. Neraca energi ini didasarkan atas persamaan hukum pertama untuk aliran (steady- state steady flow, SSSF). Akan tetapi, disini mengalir tiga fluida yang masuk dan keluar sistem, yaitu : air pendingin, udara kering, dan uap air yang terdapat dalam udara itu. Pengkajian kerja menara pendingin diperlukan untuk mengetahui kapasitas kerja dari menara pendingin itu sendiri, jadi dalam hal ini akan diketahui mekanisme kerja dari menara pendingin yang digunakan. 2.2.1 KARAKTERISTIK UDARA Sifat sifat mengenai karakteristik udara maupun campuran udara dan uap air mempunyai arti penting dalam bidang menara pendingin dan kajian tersebut merupakan bagian dari kajian psikrometri. Grafik psikrometri adalah grafik yang menggambarkan nilai kelembaban relatif (Φ), kelembaban mutlak (ῳ), temperature bola basah (Twb), temperatur bola kering

12 (Tdb), enthalpi (h), volume spesifik (v). Grafik psikrometri dihitung untuk tekanan 1 atm standar atau sekitar 101,325 kpa dan didasarkan atas sub satu satuan massa udara kering beserta air yang dikandungnya, artinya 1+ ῳ. Grafik psikrometri dapat dilihat pada lampiran. Gambar 2.1 adalah bagan yang menggambarkan contoh proses pada menara pendingin dimana air panas yang dispray atau dialirkan oleh udara yang dialirkan melalui air tersebut, jadi temperatur air yang keluar akan berkurang sedangkan termperatur dan tingkat kelembaban udara akan bertambah. a. Kelembaban relatif (relative humidity) Kelembaban relatif merupakan perbandingan fraksi molekul uap air dalam udara basah terhadap fraksi molekul uap air jenuh pada temperatur dan tekanan yang sama. Dari hubungan udara sebagai gas ideal, kelembaban relatif dapat dinyatakan sebagai perbandingan tekanan bagian uap air dengan tekanan udara jenuh air murnio pada temperatur yang sama. Kelembaban relatif dapat ditunjukan seperti persamaan berikut ini [M.M.EL-Wakil,266] : Φ = RH = Pv Pg...(2.1) Φ Pv : kelembaban relatif : tekanan uap air di udara (kpa) Pg = Psat : tekanan jenuh air pada temperatur yang sama (kpa)

13 b. Kelembaban Mutlak (absolute humidity) Kelembaban mutlak adalah massa uap air yang terkandung dalam setiap satu satuan massa udara kering. Jika uap air dan uap kering dianggap sebagaigas ideal dan keduannya mempunyai tetapan gas, sehingga memenuhi persamaan P.V = m. R. T yang dinyatakan dalam persamaan berikut ini [M.M.EL- Wakil,266] : ῳ ῳ ῳ ῳ = = mv ma...(2.2) Pv.V /Rv.T Pa.V/Ra.T...(2.3) = Pv.Ra Pa.Rv...(2.4) = 0,622 Pv Pl Pv...(2.5) ῳ : kelembaban mutlak udara (kg uap air / kg udara kering ) Pv Pa Pa : Tekanan uap air di udara (kpa) : Tekanan udara kering dalam udara (kpa) : Plink Pv (kpa) Plink : Tekanan lingkungan (kpa) 2.2.2 KAPASITAS PENDINGINAN Kapasitas pendinginan pada menara pendingin dimaksudkan untuk mengetahui seberapa besar beban diterima oleh menara pendingin tersebut.

14 a. Neraca massa Pada menara pendingin basah berlaku konsep kesetimbangan massa, dimana laju aliran air masuk menara selalu lebihbesar darilaju aliran air keluar menara. Hal ini disebabkan karena adanya penguapan air yang dipengaruhi oleh temperature air yang masuk menara. Penguapantersebut diterima oleh udara, sehingga kelembaban mutlak udara keluar menara akan lebih besar dari kelembaban mutlak udara masuk menara. Kejadian ini dapat ditunjukan dengan persamaan berikut ini [M.M.EL- Wakil,268]: W1 W2 = ῳ2 - ῳ1...(2.6) Keterangan: W1 : Massa air sirkulasi setiap satuan massa udara kering masuk menara kg air ) kg udara kering ( W2 : Massa air sirkulasi setiap satuan massa udara kering keluar menara kg air ) kg udara kering ( ῳ1 : Kelembaban mutlak udara masuk menara ( ῳ2 : Kelembaban mutlak udara keluar menara ( kg air ) kg udara kering kg air ) kg udara kering b. Neraca Energi Neraca energi, persamaan aliran (steady state steady flow, SSSF) hukum pertama untuk tiga fluida sekarang dapat dituliskan untuk isian menara

15 sebagai suatu sistem. Persamaan ini berlaku untuksemua menara basah. Perubahan Ep dan Ek serta perpindahan kalor semuanya diabaikan. Tidak ada kerja mekanik yang dilakukan hanya enthalphi ketiga fluida yang muncul. Udara Keluar (Eu2) Air Masuk (Ew1) Air Keluar (Ew2) Udara Masuk (Eu2) Gambar 2.3 Kesetimbangan energi pada menara pendingin Energi masuk = Energi keluar Eu1 + Ew1 = Eu2+ Ew2...(2.7) Maka dari persamaan diatas menjadi : (ma1ha1 + mv1hv1) + mw1hw1 = (ma2ha2 + mv2hv2) + mw2hw2...(2.8) Selanjutnya dari persamaan diatas dibagi dengan laju aliran udara kering (ma) untuk mendapatkan unsur perhitungan dari psikrometri maka[m.m.el- Wakil,267] : ha1 + ῳ1hv1 + W1hw1 = ha2 + ῳ2hv2 + W2hw2...(2.9)

16 Eu1 Eu2 Ew1 Ew2 ha1 : Energi udara saat masuk menara pendingin (kj/s) : Energi udara saat keluar menara pendingin (kj/s) : Energi air saat masuk menara pendingin (kj/s) : Energi air saat keluar menara pendingin (kj/s) : Entalphi spesifik udara kering masuk menara pendingin (kj/kg udara kering) ha2 : Entalphi spesifik udara kering keluar menara pendingin (kj/kg udara kering) hv1 hv2 hw1 hw2 ṁa ṁv ṁw : Entalphi spesifik uap air masuk menara pendingin (kj/kg uap air) : Entalphi spesifik uap air keluar menara pendingin (kj/kg uap air) : Entalphi spesifik air sirkulasi masuk menara (kj/kg air) : Entalphi spesifik air sirkulasi keluar menara (kj/kg air) : Laju aliran massa udara kering (kg udara kering /s) : Laju aliran massa uap air (kg uap air /s) : Laju aliran massa air (kg air /s) hv = hg dari table uap (kj/kg uap air K) hw = hf dari table uap (kj/kg uap air K) Temperatur dan tekanan dalam menara pendingin dalam kenyataanya rendah, panas spesifik untuk udara kering yang masuk dengan keluar dianggap sama sehingga [M.M.EL-Wakil,268]: ha2 - ha1 = Cpa (Ta1 - Ta2)...(2.10)

17 Cpa : Panas spesifik udara kering (1,005 kj/kg udara kering K) ha1 : Entalphi spesifik udara kering masuk menara pendingin (kj/kg udara kering) ha2 : Entalphi spesifik udara kering keluar menara pendingin (kj/kg udara kering) Ta1 : Temperatur udara masuk menara ( K ) Ta2 : Temperatur udara keluar menara ( K ) Kemudian persamaan 2.9 dapat disubtitusikan dengan langkah sebagai berikut : ῳ1hv1 + W1hw1 = Cp (Ta1 - Ta2) + ῳ2hv2 + W2hw2...(2.11) dari persamaan 3.6 diperoleh : W1 W2 = ῳ2 - ῳ1 Dari persamaan 3.6 disubtitusikan dengan persamaan 2.11 maka [M.M.EL-Wakil,269] : ῳ1hv1 + W1hw1 = Cp (Ta1 - Ta2) + ῳ2hv2 + [W1 (ῳ2 - ῳ1) hw2...(2.12) c. Energi yang dilepaskan Air Perhitungan kapasitas menara pendingin dilakukan dengan menganalisa perbedaan termperatur yang dimiliki air saat masuk dan keluar menara pendingin sesuai persamaan berikut [Wilbert F. Stoecker,343] : Ew = ṁw. Cpw. (Tw1 Tw2)...(2.13)

18 Ew ṁw Tw1 Tw2 : Energi yang dilepaskan air (kj/s) : Laju aliran air masuk menara (kg air/s) :Temperatur air panas masuk menara ( C) : Temperatur air panas keluar menara ( C) Cpw : Panas spesifik air (4,2 kj/kg K) b. Energi yang diterima udara Energi yang diterima udara aktual (Eud akt) Eud akt = ṁa (h2 h1)...(2.14) Eud akt h2 : Energi yang diterima udara aktual (kw) : Entalphi udara keluar menara (kj/kg) : Cp T2 + ῳ2 hg2 h1 : Entalphi udara masuk menara (kj/kg) : Cp T1 + ῳ2 hg1 2.2.3 AIR TAMBAHAN ( make up water ) Banyaknya air tambahan ( ṁmw act) dapat diketahui dengan menjumlahkan air yang menguap, air hanyutdan air memercik keluar. Besarnya air yangmenguap dapat dihitung dengan [M.M.EL-Wakil,266] : ṁmw = ṁa. (ῳ2 - ῳ1)...(2.15)

19 ṁmw ṁa : Laju air tambahan pengganti penguapan (kg air/s) : Laju aliran udara kering (kg udara kering /s) = ρa. A.V ῳ1 : Kelembaban mutlak udara masuk menara ( ῳ2 : Kelembaban mutlak udara masuk menara ( kg air ) kg udara kering kg air ) kg udara kering ρa : Massa jenis udara kering A : Luas area keluaran menara (m 2 ) V : Kecepatan udara keluar menara (m/s) Air panas masuk Udara panas keluar Udara dingin masuk Air tambahan Air dingin keluar Gambar 2.4 sirkulasi aliran dalam menara pendingin 2.2.4 RANGE( Jangkauan Pendinginan) Cooling range- (lihat Gambar 2.5). Ini merupakan perbedaan antara temperatur air masuk dan keluar menara pendingin. Range yang tinggi berarti

20 bahwa menara pendingin (Cooling Tower) telah mampu menurunkan temperatur air secara efektif, dan kinerjanya bagus. Persamaannya adalah sebagai berikut ini [www.energyefficiencyasia.org] : Range = Tw1 Tw2...(2.16) Tw1 :: Temperatur air panas masuk menara ( C) Tw2 : Temperatur air panas keluar menara ( C) 2.2.5 APPROACH(Nilai Pendekatan) Merupakan perbedaan antara temperatur air dingin keluar menara pendingin dan temperaturbola basahlingkungan (wet bulb ambient)lihat Gambar. 2.5. Semakin rendah approach semakin baik kinerja menara pendingin. Walaupun, range dan approach harus dipantau, 'approach' merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja menara pendingin.persamaannya adalah sebagai berikut ini[www.energyefficiencyasia.org] : Approach = Tw2 Twb1...(2.17) Tw1 : Temperatur air panas masuk menara ( C) Tw2 : Temperatur air panas keluar menara ( C) Twb1 : Temperatur bola basah udara masuk menara pendingin ( C)

21 Gambar 2.5 Range dan approach menara pendingin 2.2.6 PERBANDINGAN CAIR/GAS(Liquid/Gas, L/G). Perbandingan L/G merupakan rasio laju alir massa air (liquid) dan udara (gas). Menara pendingin memiliki nilai desain L/G tertentu. Namun karena pengaruh cuaca atau musim, perlu pengaturan dan perubahan laju aliran air dan udara untuk mendapatkan efektivitas terbaik. Pengaturan dapat dilakukan dengan perubahan beban kotak air atau pengaturan sudut siripnya. Aturan termodinamika juga mengatakan bahwa panas yang dibuang dari air harus sama dengan panas yang diserap oleh udara sekitarnya. L/G didapat dari rumus[www.energyefficiencyasia.org]: L/G = (h2 h1) (Tw1 Tw2)...(2.18)

22 h1 : entalphi udara masuk menara (kj/kg) h2 : entalphi udara masuk menara(kj/kg) Tw1 :: Temperatur air panas masuk menara ( C) Tw2 : Temperatur air panas keluar menara ( C) 2.2.7 EFEKTIVITAS MENARA PENDINGIN Merupakan perbandingan antara range dan range ideal (dalam persentase), yaitu perbedaan antara suhu masuk air pendingin dan suhu wet bulb ambien. Semakin tinggi perbandingan ini, maka semakin tinggi efektivitas menara pendingin. Efektivitas didapat dari persamaan berikut ini [www.energyefficiencyasia.org] : e = Tw1 Tw2 Tw1 Twb1 x 100%...(2.19) Tw1 : Temperatur air panas masuk menara ( C) Tw2 : Temperatur air panas keluar menara ( C) Twb1 : Temperatur bola basah udara masuk menara pendingin ( C)