4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 PENDAHULUAN Menara pendingin didefinisikan sebagai alat penukar kalor yang fluida kerjanya adalah udara dan air yangberfungsi mendinginkan air dengan mengontakannya keudara sehingga menguapkan sebagian keil dari air tersebut. Hal ini sering disebut dengan istilah evaporasi (Handoyo, 2015) Cooling tower menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai akibatnya, air yang tersisa didinginkan seara signifikan dan kebanyakan menara pendingin yang bekerja pada sistem pendingin udara menggunakan pompa sentrifugal untuk menggerakan air vertikal ke atas melintasi menara. Cooling tower juga mampu menurunkan suhu air lebih dari peralatanperalatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien energinya (Stoeker, Jones & Hara, 1996). Pada dasarnya menara pendingin sangat lah penting untuk dunia industri. Penggunaannya sangat vital dalam hal, menegah penemaran lingkungan dengan pemamfaatan kembali air sisa pembuangan proses produksi, memaksimalkan mesin-mesin produksi agar dapat digunakan lebih lama dengan menegah overheat pada mesin produksi sehingga suhu tetap stabil (Handoyo,2015).
22 Bagian dari AC sentral selain hiller, AHU, dan duting adalah adalah menara pendingin atau ooling tower. Gambar 2.1 Menara Pendingin (Cooling Tower) (Sumber: Handoyo,2015) 2.2 PRINSIP KERJA COOLING TOWER Prinsip kerja dari sebuah ooling tower adalah air panas yang keluar dari kondensor atau Heat Exhanger di pompa menuju punak menara untuk disemprotkan menggunakan noozle. Air panas yang disemprotkan akan jatuh mengalir mengenai fill (bahan pengisi) yang berfungsi untuk memeah aliran. Di dalam menara air panas mengalami kontak langsung dengan udara yang bergerak seara paksa karena pengaruh dari fan. Hal ini yang disebut sebagai konveksi paksa. Air yang sudah mengalami penurunan temperatur ditampung ke dalam bak penampung. Sistem ini sangat efektif karena temperatur kondensasi yang terjadi dalam proses pendinginan sangat rendah mendekati temperatur wet-bulb udara. Gambar 2.2 Prinsip Kerja Menara Pendingin (Cooling Tower) (Sumber: Handoyo,2015)
23 2.3 KOMPONEN UTAMA COOLING TOWER Komponen-komponen dari Cooling Tower 8330 CT01 memiliki bagian seperti menara pendingin bisa, diantaranya adalah: 1. Rangka dan wadah Merupakan rangka berstruktur yang menunjang penutup (asing) motor, fan, dan komponen lainnya. Gambar 2.3 Rangka Cooling Tower 8330 CT 01 2. Bahan Pengisi (filling) Berfungsi untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Plastik banyak digunakan sebagai bahan pengisi, termasuk PVC, polypropylene. Bahan pengisi berbentuk perikan / Splash fill. Air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemerik horisontal, seara terus-menerus peah menjadi tetesan lebih keil, sambil membasahi permukan bahan pengisi. Bahan pengisi perikan dari plastik memberikan perpindahan panas yang lebih baik daipada bahan pengisi perikan dari kayu. Kolam air dingin (basin) terletak di bawah menara dan seluruh bagian pengisi dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi. Kolam air dingin terbuat dari beton. Dalam desain aliran yang berlawanan arah pada fored draft, air dibagian bawah pengisi di salurkan ke bak yang berbentuk persegi yang berfungsi sebagai kolam air dingin.
24 Gambar 2.4 Bahan Pengisi Gambar 2.5 Bak penampung air dingin (Basin) 3. Drift Eliminators Alat ini berfungsi menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfer. Gambar 2.6 Drift Eliminator
25 4. Saluran udara masuk Merupakan titik masuk bagi udara menuju menara. Saluran masuk berada di seluruh sisimenara (desain arah melintang) atau berada di bagian bawah menara (arah berlawanan). Gambar 2.7 Saluran Udara Masuk 5. Louvers Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara. Gambar 2.8 Louvers
26 6. Peralatan mesin Peralatan mesin yang dibutuhkan adalah motor fan, gear box, fan aksial jenis balingbaling dan sentrifugal keduanya digunakan dalam menara. Bahan yang digunakan untuk blade adalah polyester. Gambar 2.9 Motor Penggerak Fan Gambar 2.10 Kipas (fan)
27 2.4 KLASIFIKASI COOLING TOWER 2.4.1 Menurut Metode Perpindahan Panas 1. Wet ooling tower (pendingin basah) Pada ooling 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. 2. Dry ooler (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. 3. Fluid ooler (pendingin fluida) Pada ooling tower ini saluran fluida kerja dilewatkan melalui pipa, dimana air hangat diperikkan dan kipas dihidupkan untuk membuang panas dari air. Perpindahan panas yang dihasilkan lebih mendekati ke ooling tower basah, dengan keuntungan seperti pada pendingin kering yakni melindungi fluida kerja dari lingkungan terbuka. 2.4.2 Menurut Metode Pembangkitan Aliran Udara 1. Natural draft (penggerak udara alami) Udara dialirkan dengan memanfaatkan gaya buoyany melewati erobong yang tinggi. Udara ampuran seara alami meningkat sampai terjadi perbedaan densiti
28 dengan udara kering, pendingin udara luar. Udara ampuran panas memiliki densiti yang lebih keil daripada udara yang lebih kering pada temperatur dan tekanan yang sama. 2. Mehanial 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: a. Indued draft Kipas pada ooling tower ini berada di bagian keluaran yang menghisap udara melintasi menara. Hal ini menghasilkan keepatan udara masukan rendah dan keepatan udara keluaran yang tinggi, sehingga mengurangi kemungkinan resirkulasi udara. b. Fored draft Pada ooling tower ini kipas terletak pada bagian masukan tower, sehingga menyebabkan keepatan udara yang tinggi pada bagian masukan dan keepatan yang rendah pada bagian keluaran. Keepatan yang rendah 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 indued draft. Keuntungan penggerak paksa adalah kemampuannya dalam bekerja pada tekanan statik yang tinggi (EL-WAKIL, 1992). 2.4.3 Menurut Arah Aliran Udara Terhadap Aliran Air 1. Aliran rossflow Pada tipe ini, aliran udara bergerak memotong seara tegak lurus terhadap aliran air pada bahan pengisi. Kemudian udara melintasi menara melalui bagian keluaran
29 udara akibat gaya tarik dari fan yang berputar. Gambar 3.3 menunjukkan desain tipe ooling tower dengan aliran rossflow. Gambar 2.11 Cooling tower tipe aliran rossflow (Sumber: Alagesia, 2013) 2. Aliran ounterflow Pada tipe ini, aliran udara pada saat melewati bahan pengisi (fill material) sejajar dengan aliran air dengan arah yang berlawanan. Gambar 3.4 menunjukkan desain tipe ooling tower dengan aliran ounterflow. Gambar 2.12 Cooling tower tipe aliran ounterflow (Sumber: Alagesia, 2013)
30 2.5 PARAMETER PENGUJIAN 2.5.1 Psikometrik Psikrometrik adalah studi tentang sifat-sifat ampuran udara dan uap yang mempunyai arti penting dalam dunia pengkondisian udara, karena udara atmosfir tidak kering sempurna tetapi merupakan ampuran antara udara dan uap. Prinsip-prinsip psikometrik diterapkan untuk perhitungan beban, sistem-sistem pengkondisian udara koil pendingin udara dan pengurangan kelembabanmenara pendingin (ooling towers) dan kondensor penguapan (Stoeker, Jones & Hara, 1996). Pressure: 101325 Pa 110 120 130 100 90 30 10 20 30 70 60 50 40 Enthalpy - kj/kg(a) 10 80 80% 20 Saturation temperature - deg C 0.90 Volume - u.m/kg(a) 0.95 Humidity ratio - g/kg(a) 20 10 130 120 110 100 90 0 60% 80-10 0 40% 0.85-20 -10 0.80 20% 70-20 -10 0 10 20 30 40 50 Dry bulb temperature - deg C Gambar 2.13 Bagan psikometrik (Sumber: Stoeker, Jones & Hara, 1996)
31 2.5.2 Istilah-Istilah Dalam Bagan Psikometri 1. Dry Bulb Temperature ( Temperatur Bola Kering ) Temperatur tersebut dapat dibaa pada termometer dengan sensor kering dan terbuka. Namun penunjukkannya tidaklah tepat karena adanya pengaruh radiasi panas, keuali jika sensornya memperoleh ventilasi yang ukup baik. 2. Wet Bulb Temperature ( Temperatur Bola Basah ) Wet Bulb Temperature adalah temperatur yang ditunjukkan oleh termometer yang Bulb nya dibungkus kain atau kapas basah yang digunakan untuk menghilangkan radiasi panas dan adanya aliran udara yang melaluinya sekurang-kurangnya 5 m/s. 3. Dew Point Temperature ( Titik Embun ) Temperatur dimana uap air mulai mengembun ketika ampuran udara-air didinginkan, untuk mengkondensasi uap air maka ampuran uap air dan udara harus didinginkan dahulu menapai dew point. 4. Relative Humidity ( Kelembaban Relatif ) Rasio antara tekanan parsial aktual uap air yang ada dalam udara terhadap tekanan parsial jenuh uap air pada temperatur bola kering tertentu 5. Humidity Ratio ( Rasio Kelembaban ) Didefinisikan sebagai massa air yang terkandung dalam setiap kg udara kering, atau dapat juga disebut dengan speifi humidity. 6. Enthalpi Didefinisikan sebagai energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada temperatur tertentu dengan perbandingan kelembaban x, pada temperatur tº C, didefinisikan sebagai sejumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg udara kering dan air ( dalam fasa air) dari 0º C sampai tº C dan menguapkannya menjadi uap air ( fasa gas).
32 7. Volume Spesifik Volume ampuran udara dan uap air, biasanya dalam satuan meter kubik udara kering atau ampuran per kilogram udara kering. 8. Sensible Heat Fator ( Faktor Panas Sensibel ) Perbandingan antara panas sensibel dengan jumlah dari panas laten dengan panas sensibel. 2.5.3 Menghitung Kinerja Cooling Tower Temperatur bola basah udara masuk menara pendingin menyatakan temperatur minimum yang mungkin diapai untuk mendinginkan air. Performane dari suatu menara pendingin salah satunya dinyatakan dalam range dan approah. 1. Range adalah perbedaan temperatur air yang masuk menara pendingin dengan air yang keluar menara pendingin. Range menara pendingin yang tinggi berarti menara pendingin telah mampu menurunkan suhu air seara efektif dan memiliki kinerja yang baik yang dituliskan dengan Persamaan berikut: Range (º C) = Tw, in Tw, out (2.1) 2. Approah adalah perbedaan temperatur air yang keluar dari menara pendingin dengan temperatur Wet Bulb udara yang masuk menara pendingin. Semakin rendah approah semakin baik kinerja menara pendingin dan ditulis dengan persamaan berikut: Approah (º C) = Tw, out Twb (2.2) 3. Efisiensi pada menara pendingin dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini: Range Tw, in Tw, out η = 100 % = ( ) 100% Range Approah Tw, in Twb (2.3) 4. Kapasitas pendinginan merupakan kemampuan media pendingin Cooling Tower untuk dapat menyerap dan membuang kalor yang diterima untuk kembali
33 ke lingkungan sekitar. Kapasitas pendinginan pada menara pendingin dapat dihitung dengan persamaan berikut ini: Q = ṁ.cp. T (2.4) dimana: Q ṁ = Kapasitas Cooling Tower (kw) = Laju Aliran Massa Air (kg/s) Cp air = Kalor Jenis Air (Kj/kg.K). (Taufik Ah, Listyadi&Harry,2014) 5. Analisa perpindahan panas Dalam menara pendingin, perpindahan kalor berlangsung dari air ke udara tak jenuh. Ada dua penyebab terjadinya perpindahan kalor yaitu perbedaan suhu bola kering dan perbedaan tekanan uap antara permukaan air dan udara. Dua penyebab ini berkombinasi membentuk potensial entalpi, karena bila udara mengalir melewati suatu permukaan basah akan terjadi perpindahan kalor sensibel dan kalor laten seara bersamaan. Jika terdapat perbedaan suhu antara udara t dan permukaan basah t maka kalor akan dipindahkan dan bila terdapat beda tekanan parsial uap-air di udara p, dan tekanan di air s a p s, i a akan terjadi perpindahan massa (air). Perpindahan massa ini nenyebabkan perpindahan energi panas juga, karena pada saat uap air mengembun, kalor laten harus dikeluarkan dari air tersebut. Sebaliknya jika sejumlah airan menguap dari lapisan air, harus diberikan kalor penguapan kepada air yang menguap tersebut. Laju perpindahan kalor sensibel dari muka air ke udara q dapat dihitung dengan persamaan konveksi: s i dq s i a h da t t (2.5)
34 dimana: dq s = laju perpindahan kalor sensibel,w h = koefisien perpindahan panas konveksi, W/m².K A = luas permukaan, m² ti ta = temperatur air (K) = temperatur udara (K) Laju perpindahan massa dari permukaan air ke udara sebanding dengan beda tekanan p s i ps, a, dan rasio kelembaban hampir sebanding dengan tekanan uap, sehingga dapat dibuat suatu hubungan keseimbangan. Rumus laju perpindahan massa tersebut adalah: hdda wi wa kg/detik (2.6) dimana: h D = tetapan keseimbangan, kg/m² w i = rasio kelembaban udara jenuh yang sama suhunya dengan permukan basah wa = rasio kelembaban udara A = luas permukaan, m² Oleh karena itu perpindahan ke atau dari air menyebabkan terjadinya perpindahan kalor, (sebagai akibat pengembunan atau akibat penguapan), maka: dq L D h da w w i a h fg (2.7) dimana: q L = laju perpindahan kalor laten h fg = kalor laten air pada suhu t i, J/kg wi = rasio kelembaban udara jenuh yang sama suhunya dengan permukan basah wa = rasio kelembaban udara A = luas permukaan, m²
35 Diketahui bahwa mekanisme perpindahan di permukaan yang mengatur laju perpindahan kalor sensibel sama dengan yang mengatur laju perpindahan massa tersebut. Jadi ada hubungan antara dengan Persamaan berikut: h h D dan h. Keseimbangan ini diungkapkan hd (2.8) dimana, = kalor spesifik udara basah, J/kg Kalor spesifik udara basah ini didasarkan pada 1 kg udara kering sehingga merupakan jumlah dari kalor spesifik udara kering dan kalor spesifik uap air. p w a ps (2.9) Konsep tentang potensial entalpi sangat berguna dalam menentukan jumlah perpindahan kalor total ( sensibel dan laten) pada proses yang berkaitan langsung antara udara dan air. Laju kalor yang dilepas dari air, dq sama dengan kalor yang diterima oleh udara maka: dq= G d h a = L (4,19 kj/kg. K )dt KW (2.10) t L kg/s air ha + dha da luas Volume diferensial t - dt ha G kg/s udara Gambar 2.14 Pertukaran energi dalam suatu volume diferensial sebuah menara pendingin aliran berlawanan. (Sumber: Stoeker, Jones & Hara, 1996)
36 Dari prinsip-prinsip tentang potensial entalpi, dari Persamaan 2.10 untuk dq yaitu: 6. Integrasi Stepwise hda dq hi ha dimana, h = koefisien perpindahan panas konveksi, kw/m².k hi = entalpi udara jenuh pada suhu air, kj/( kg udara kering ) ha = entalpi udara, kj/ kg (udara kering ) = kalor jenis udara lembab, kj/kg.k Untuk menari besarnya laju kalor yang dipindahkan oleh seluruh bagian menara pendingin, Persamaan 2.11 harus diintegrasikan. Baik hi maupun ha berubahubah menurut variabel integrasi A. Dengan mengkombinasikan Persamaan 2.11 dan 2.12, menyusun kembali dan kemudian mengintegrasinya menghasilkan: dt h da h A t A 4,19L in tout hi h (2.11) 0 a Dengan tin dan tout berturut-turut adalah suhu air yang masuk dan yang meninggalkan menara pendingin. Integrasi terhadap Persamaan 2.11 menghasilkan persamaan berikut: h A 1 4,19Lt (2.12) h h i a m Dengan h i h a m adalah perbedaan harga tengah entalpi untuk suatu bagian keil dari volume. Harga h A / merupakan fungsi dinamika pola aliran udara dan dinamika tetesan air di dalam menara pendingin, tetapi besarnya harga tersebut pada dasarnya tetap konstan untuk sebuah menara pendingin tertentu asalkan laju aliran udara dan laju aliran airnya tetap konstan, karena kedua-duanyalah yang menentukan h dan luas permukaan kalor A. Harga menentukan karakteristik h A / dengan demikian menara pendingin dan merupakan dasar untuk meramalkan prestasi (performansinya) pada suhu air masuk lain dan suhu bola
37 basah udara masuk lainnya. Para pengusaha dan peranang menara pendingin sering kali menggunakan Bilangan Unit Perpindahan (BUP) atau number of transfer units (NTU) untuk menyatakan besaran h A / (Stoeker, Jones & Hara, 1996). 7. Laju Aliran Massa Air (L) L = Qair x ρair Dimana: L = Laju aliran massa air (kg/s) Q = Debit air (m 3 /s) ρ air = massa jenis air pada suhu tertentu (kg/m 3 ) 8. Menghitung kehilangan air akibat evaporation loss (We) Banyaknya jumlah air yang hilang akibat penguapan atau evaporation loss (We) dapat dihitung menggunakan Persamaan dibawah ini: We = 0,00085 W (T 2 T 1 ) (2.13) Dimana: We = Evaporation loss (m 3 /jam) W = Debit air (m 3 /jam) T2 T1 = Suhu air masuk ooling tower (K) = Suhu air keluar ooling tower (K) 9. Menghitung kehilangan air akibat Drift Loss (WD) Drift Loss (WD) adalah kehilangan air yang diakibatkan karena fan yang berputar, biasanya sebesar 0,1-0,2% dari jumlah air yang bersirkulasi, maka: WD = 0,2% x W (2.14) Dimana: WD W = Drift Loss ( (m 3 /jam) = Debit air (m 3 /jam)
38 10. Menghitung kehilangan air akibat Blow down (WB) Blow down (WB) adalah kehilangan air yang diakibatkan karena sirkulasi air pada sistem pendingin. Besarnya nilai Blow down (WB) dapat ditentukan dengan Persamaan di bawah ini: W B = We S 1 (2.15) Dimana: WB We = Blow down (m 3 /jam) = evaporation loss (m 3 /jam) S = Cyle of ooling tower (S = 1,7) 11. Menghitung make up water ooling tower make up water = W B + W e + W D (2.16) Dimana: WB = Blow down (m 3 /jam) WE = Evaporation loss(m 3 /jam) WD = Drift Loss (m 3 /jam) Dengan menghitung kehilangan air akibat evaporation loss, Drift Loss, Blow down maka dapat diketahui berapa jumlah total kehilangan air sehingga penambahan air atau make up water ke ooling tower dapat terkontrol dengan baik (Awwaludin, Santosa & Suwardiono, 2012).