.1 Apakah Menara Pendingin itu?
Menara pendingin merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfir. 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 1). Menara pendingin mampu menurunkan suhu air lebih dari peralatan-peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien energinya.
Gambar 1. Diagram skematik sistim menara pendingin (Laboratorium Nasional Pacific Northwest, 2001)
1.2 Komponen menara pendingin Komponen dasar sebuah menara pendingin meliputi rangka dan wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel dan fan. Kesemuanya
dijelaskan dibawah.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.
Bahan Pengisi. Hampir seluruh menara menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastik atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Terdapat dua jenis bahan pengisi: o 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. o 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.
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 berbentuk lingkaran yang berfungsi sebagai kolam air dingin. Sudu-sudu fan dipasang dibawah bahan pengisi untuk meniup
udara naik melalui menara. Dengan desain ini, menara dipasang pada landasannya, memberikan kemudahan akses bagi fan dan motornya.
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 menara. Saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah menara (desain aliran berlawanan arah).
Louvers. Pada umumnya, menara dengan aliran silang memiliki saluran masuk louvers. Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara. Beberapa desain menara aliran berlawanan arah tidak memerlukan louver.
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 menara dengan beberapa potongan lintang yang memutar.
Fan. Fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya digunakan dalam menara. Umumnya fan dengan baling-baling/propeller digunakan pada menara induced draft dan baik fan propeller dan sentrifugal duaduanya 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.
.2 Material untuk Menara Pada mulanya menara pendingin dibuat terutama dari kayu, termasuk rangka, wadah, louvers, bahan pengisi dan kolam air dingin. Kadangkala kolam air
dingin terbuat dari beton. Saat ini, telah digunakan berbagai macam bahan untuk membangun menara pendingin. Bahan-bahan dipilih untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi, mengurangi perawatan, dan turut mendukung kehandalan dan umur layanan yang panjang. Baja yang sudah digalvanis, berbagai kelas stainless steel, fiber glass, dan beton sangat banyak digunakan dalam pembuatan menara, juga alumunium dan plastik untuk beberapa komponen.2
Rangka dan wadah. 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.
Bahan pengisi. Plastik sangat banyak digunakan sebagai bahan pengisi, termasuk PVC, polypropylene, dan polimer lainnya. Jika kondisi air memerlukan penggunaan splash fill, splash fill kayu yang sudah diberi perlakuan juga banyak digunakan. Disebabkan efisiensi perpindahan panasnya lebih besar, bahan pengisi film dipilih untuk penggunaan yang sirkulasi airnya bebas dari sampah yang dapat menghalangi lintasan bahan pengisi.
Nosel. Plastik juga digunakan luas untuk nosel. Banyak nosel terbuat dari PVC, ABS, polipropilen, dan nylon yang diisi kaca.
Fan. Bahan yang biasa digunakan untuk fan adalah alumunium, fiber glass dan baja yang digalvanis celup panas. Baling-baling fan terbuat dari baja galvanis, alumunium, plastik yang diperkuat oleh fiber glass cetak.
2. JENIS-JENIS MENARA PENDINGIN Bagian ini menjelaskan dua jenis utama menara pendingin: menara pendingin jenis natural draft dan jenis mechanical draft.
2.1 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 2. Menara pendingin natural draft natural draft aliran melintang
Gambar 3. Menara pendingin aliran berlawanan arah
Terdapat dua jenis utama menara natural draft:
Menara aliran melintang (Gambar 2): udara dialirkan melintasi air yang jatuh dan bahan pengisi berada diluar menara.
Menara dengan aliran yang berlawanan arah (Gambar 3): udara dihisap melalui air yang jatuh dan oleh karena itu bahan pengisi terletak dibagian dalam menara, walaupun desain tergantung pada kondisi tempat yang spesifik.
2.2 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 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 ARAH)
Gambar 4. Menara Pendingin Forced Draft (REFERENSI)
Gambar 5. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan (GEO4VA)
Gambar 6. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang (GEO4VA)
3. PENGKAJIAN TERHADAP MENARA PENDINGIN Bagian ini menjelaskan tentang bagaimana kinerja tenaga pendinginan dapat dikaji.3. Kinerja menara pendingin dievaluasi untuk mengkaji tingkat approach dan range saat ini terhadap nilai desain, mengidentifikasi area terjadinya pemborosan energi dan memberikan saran perbaikan. Selama evaluasi kinerja, peralatan pemantauan yang portable digunakan untuk mengukur parameterparameter berikut: Suhu udara wet bulb Suhu udara dry bulb Suhu air masuk menara pendingin Suhu air keluar menara pendingin Suhu udara keluar
Pembacaan listrik motor pompa dan fan Laju alir air Laju alir udara
Gambar 7. Range dan approach menara pendingin
Parameter terukur tersebut kemudian digunakan untuk menentukan kinerja menara pendingin dengan beberapa cara. Yaitu: a) Range (lihat Gambar 7). Ini merupakan perbedaan antara suhu air masuk dan keluar menara pendingin. Range CT yang tinggi berarti bahwa menara pendingin telah mampu menurunkan suhu air secara efektif, dan kinerjanya bagus. Rumusnya adalah: Range CT (°C) = [suhu masuk CW (°C) – suhu keluar CW (°C)]
b) Approach (lihat Gambar7). Merupakan perbedaan antara suhu air dingin keluar menara pendingin dan suhu wet bulb ambien. Semakin rendah approach semakin baik kinerja menara pendingin. Walaupun, range dan approach harus dipantau, „approach’ merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja menara pendingin. Approach CT (°C) = [suhu keluar CW (°C) – suhu wet bulb (°C)] c) Efektivitas. Merupakan perbandingan antara range dan range ideal (dalam persentase), yaitu perbedaan antara suhu masuk air pendingin dan suhu wet bulb ambien, atau dengan kata lain adalah = Range/ (Range + Approach). Semakin tinggi perbandingan ini, maka semakin tinggi efektivitas menara pendingin. Efektivitas CT (%) = 100 x (suhu CW –suhu keluar CW) / (suhu masuk CW –suhu WB) d) Kapasitas pendinginan. Merupakan panas yang dibuang dalam kKal/jam atau TR, sebagai hasil dari kecepatan aliran masa air, panas spesifik dan perbedaan suhu. e) Kehilangan penguapan. Merupakan jumlah air yang diuapkan untuk tugas pendinginan. Secara teoritis jumlah penguapan mencapai 1,8 m3
untuk setiap 10.000.000 kKal panas yang dibuang. Rumus berikut dapat digunakan (Perry): Kehilangan penguapan (m3/jam) = 0,00085 x 1,8 x laju sirkulasi (m3/jam) x (T1-T2) T1 - T2 = perbedaan suhu antara air masuk dan keluar f) Siklus konsentrasi (C.O.C). Merupakan perbandingan padatan terlarut dalam air sirkulasi terhadap padatan terlarut dalam air make up. g) Kehilangan Blow down tergantung pada siklus konsentrasi dan kehilangan penguapan dan dihitung dengan rumus: Blow down = Kehilangan penguapan/ (C.O.C. – 1) h) Perbandingan Cair/Gas (L/G). Perbandingan L/G menara pendingin merupakan perbandingan antara laju alir massa air dan udara. Menara pendingin memiliki nilai desain tertentu, namun variasi karena musim memerlukan pengaturan dan perubahan laju alir air dan udara untuk mendapatkan efektivitas terbaik menara pendingin. 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. Oleh karena itu rumus berikut dapat digunakan: L(T1 – T2) = G(h2 – h1) L/G = (h2 – h1) / (T1 – T2) Dimana: L/G = perbandingan aliran massa cair terhadap gas (kg/kg) T1 = suhu air panas (0C) T2 = suhu air dingin (0C) h2 = entalpi uap campuran udara-air pada suhu wet-bulb keluar (satuannya sama dengan diatas) h1 = entalpi uap campuran udara-air pada suhu wet-bulb masuk (satuannya sama dengan diatas)
Jenis Splash
Jenis Non Splash / Fill
Drift dan Eliminator
C.6 Perhitungan Menara Pendingin Perhitungan pada menara pendingin melibatkan kesetimbangan energy dan massa. Ada tiga jenis aliran fluida yang masuk dn yang meninggalkan sistem yang harus diperhitungkan untuk kesetimbangan energy dan massa energi. Pada bagian berikut ini terlebih dahulu akan dibahas mengenai sistem udar dan air (Air-Water System) yang berkaitan erat dengan perhitungan pada menara pendingin Kelembaban (Humidity) Kelembaban dari suatu campuran udara-air dapat diartikan sebagai perbandingan antara sejumlah massa dari uap air dengan sejumlah massa dari udara kering, yang disimbolkan sebagai berikut :
Dikenal pula istilah-istilah lain untuk kelembaban yang umum, contohnya istilah temperatur dew point, yang diartikan sebagai temperatur dimana gas atau udara dalam keadaan saturasi. Hubungan antara temperatur dan kelembaban digambarkan pada gambar berikut : Gambar C.7. Hubungan Temperatur dan Kelembaban
Humidity
A
DP
B
TB Temperature
TDP
TA
Campuran udara-air pada keadaan yang temperatur dan kelembabannya terletak pada titik A didinginkan sampai mencapai temperatur dew pointnya (Tdp), yang terletak pada kurva saturasi dimana proses kondensasi akan mulai terjadi. Jika gas atau udara tersebut didinginkan lagi, maka proses kondensasi akan terjadi untuk menjaga gas atau udara tersebut tetap dalam keadaan saturasi. Proses pendinginan dari Ta ke Tb dilukiskan pada garis yang dibentuk A-DP-B . Istilah lanjut dalam kelembaban adalah humidity heat (s), yang diartikan sebagai panas yang dibutuhkan untuk mendapatkan satuan massa dari udara kering ditambah dengan massa
dari uap air pada kondisi
temperatur yang berbeda dan tekanan tetap, sehingga :
Dimana : = kapasitas panas spesifik udara kering (1kJ/kg) = kapasitas panas spesifik uap air (1.88 kJ/kg) Parameter-parameter lain yang juga dipertimbangkan adalah panas laten dari evaporasi, hlg
Dimana : hlg = panas laten evaporasi pada temperature 0oC (273.15 K) Cpl = kapasitas panas spesifik (4.18 kJ/kg)
Temperatur Bola Kering (Dry Bulb Temperature) Temperatur bola kering adalah temperatur yang umum diukur dan digunakan. Temperatur ini diukur oleh sebuah termometer yang menggunakan air raksa yang mempunyai bola kering pada sisi ujungnya , dilambangkan dengan lambang Tdb.
Temperatur Bola Basah (Wet Bulb Temperature) Temperatur bola basah adalah temperatur dari udara yang diukur dengan alat psychrometer, udara dihembuskan pada alat ukur ini yang memiliki termometer yang memiliki bola diselubungi oleh kain basah. Jika udara
yang dihembuskan relatif kering, maka air akan menguap pada bola tersebut lebih cepat dan akibatnya pembacaan pada bola basah lebih rendah jika dibandingkan dengan pembacaan temperatur pada bola kering. Jika udara yang dihembuskan lembab, maka proses penguapannya akan lebih lambat sehingga mengakibatkan pembacaan temperatur bola basahnya mendekati pembacaan temperatur bola kering. Pembacaan temperatur bola basah ini dilambangkan dengan lambang, Twb .
Diagram phsycrometric Diagram ini berhubungan denga kelembaban relatif ( ), temperatur bola basah (Twb), temperature bola kering (Tdb) dan juga berisi informasi tambahan seperti nilai entalpi dan volume spesifik. Dasar diagram psychrometric diilustrasikan dalam gambar berikut :
Gambar C.8. Cara Pembacaan Diagram Psikrometrik
Temperatur bola kering (Tdb) ditunjukkan oleh garis horizontal dan kelembaban ( ) ditunjukkan oleh garis vertikal. Pada sisi kiri diagramnya terdapat kurva yang disebut dengan garis saturasi. Seluruh keadaan saturasi dari gas atau udara terletak pada kurva ini. Kurva ini disebut juga kurva dengan nilai kelembaban relatifnya sebesar 100% dan kurva dengan nilai selain 100% secara umum juga mempunyai pola atau bentuk yang sama. Garis dari temperatur bola basah ditunjukkan oleh garis
yang arahnya turun ke sisi sebelah kanan, sementara untuk garis volume spesifik bentuknya hampir mirip tetapi turunnya agak lebih curam. Untuk garis entalpi bentuk garisnya agak sedikit parallel dengan garis temperatur bola basah. Untuk udara dalam keadaan saturasi, nilai dari temperatur bola kering, nilai dari temperature bola basah, dan temperatur dew point-nya akan mempunyai nilai yang sama. Diagram psychrometric ini dihitung dan dilukiskan pada tekanan atmosfir standar dan untuk penggunaan diagram pdychrometric pada tekanan yang lebih dari 1 atm, nilai datanya harus dikoreksi untuk mengkompensasi akibat pengaruh tekanan atau didalam perhitungan kita bisa langsung menggunakan tabel-tabel yang sudah dikekuarkan oleh Cooling Tower Institute.
Perpindahan Panas dan Massa Teori dari proses perpindahan panas dan massa yng umum digunakan dan dipakai dikembangkan oleh Merkel. Teori Merkel ini menggunakan analisis berdasarkan perbedaan potensial entalpi yang dikenal sebagai “Driving Force”. Masing-masing partikel air diasumsikan dikelilingi oleh lapisan tipis dari udara dan perbedaan entlapi antara lapisan tipis dan udara yang mengelilinginya menghasilkan driving force untuk terjadinya proses pendinginan. Penurunan bentuk persamaan dari merkel dapat dijelaskan melalui gambar brikut ini :
Gambar C.9. Skema Operasi Menara Pendingin
Gambar tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: Besarnya laju aliran udara (G), laju aliran air (L), kelembaban udara ( ) dan besarnya kalor akibat pembebanan (q) yang nilainya adalah laju aliran kalor (Q) dibagi dengan besarnya luasan aliran pada menara pendinginan (A). Pada sistem pendinginan ini terjadi perpindahan kalor dan massa antara udara sekitar yang memiliki temperatur lebih rendah dari air yang masuk ke menara pendingin dan menyebabkan udara yang keluar menara pendingin dan memiliki tingkat kelembabanyang lebih tinggi. Kondisi-kondisi ini dapat dirumuskan sebagai berikut :
Kesetimbangan energy yang terjadi pada udara :
Kesetimbangan energi yang terjadi pada air :
Penggabungan dua persamaan diatas akan menghasilkan persamaan berikut :
Jumlah air yang ditambahkan untuk mengganti air yang hilang akibat penguapan adalah :
Dengan mensubstitusikan persamaan 3 dan persamaan 4 maka didapat :
Penggabungan persamaan 2 dan persamaan 5 akan menghasilkan :
Total perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower terdiri dari perpindahan kalor secara difusi dan perpindahan kalor secara konveksi yaitu :
,dimana λ = kalor laten penguapan air pada cooling tower
Penggabungan persamaan 2 dengan persamaan 7 akan mendapatkan :
Pada persamaan 8 ini menunjukkan perbandingan antara perpindahan kalor secara konveksi dengan perpindahan kalor secara difusi. Perpindahan panas sensible dari air pada temperature T ke udara pada temperatur t dapat dirumuskan sebagai berikut :
Dimana : a = luas efektif dari permukaan air per satuan volume cooling tower dV = turunan pertama dari volume cooling tower Luasan bidang perpindahan panasnya adalah :
Dimana dL adalah laju difusi uap air Dengan menggunakan hubungan kelembaban massa maka dapat dituliskan sebagai berikut :
Dimana :
K = Koefisien perpindahan massa secara menyeluruh = Kelembaban pada temperatur saturasi = Kelembaban udara
Dengan mensubstitusikan persamaan 13 ke dalam persamaan 12 maka didapat :
Total perpindahan panas dq yang diberikan oleh persamaan 7 dan dalam bentuk turunan pertama adalah :
Persamaan 15 dapat diubah menjadi : *
+
[(
)
(
)]
Dengan menambahkan persamaan 16 dengan C.(T-t) lalu dikurangi dengan C.(T-t) maka akan didapat sebagai berikut : [
(
Karena
)]
, dimana C adalah kalor kelembaban
(humidity heat), maka : [ Pada persamaan ini, nilai
(
)]
dikenal dengan bilangan Lewis (Lewis
Number) dimana besarnya untuk sistem air-udara sama dengan satu, sehingga persamaan ini dapat disederhanakn menjadi :
dq dapat diartikan sebagai bentuk penurunan entalpi dari air atau bentuk kenaikan entalpi dari udara dan besar nilai keduanya adalah sama, sehingga : (
)
Untuk operasi cooling tower pada keadaan normal, besarnya jumlah air yang hilang akibat penguapan lebih kecil dari 2%, sehingga didalam perhitungan dapt diasumsikan laju aliran airnya adalah tetap sebesar L . (
)
Untuk kesetimbangan energi secara keseluruhan (persamaan 3) adalah :
Dimana L =L1+L2 Maka :
Dengan asumsi bahwa penguapan yang terjadi pada cooling tower diabaikan,
maka :
Dengan menyelesaikan persamaan 20 maka didapat bentuk persamaan menjadi : ∫ Karena
maka didapat persamaan sebagai berikut : ∫
Kemudian persamaan 22 ini dikalikan dengan G/L dan besarnya nilali Cp untuk air adalah satu sehingga didapatkan persamaannya menjadi : ∫ Dan untuk persamaan 21 menjadi :
Besarnya nilai
dikenal juga sebagai unit bilangan perpindahan
(Number of Transfer Unit) atau disebut juga sebagai Karakteristik dari Cooling Tower .
Persamaan 23 dan 24 secara grafik diilustrasikan pada gambar C.10 yang melukiskan hubungan antara air-udara dan driving force yang dihasilkan pada cooling tower jenis counterflow, dimana udara mengalir sejajar dengan aliran air dan mempunyai arah aliran yang berlawanan arah dengan aliran air. Pemahaman pada gambar ini sangat penting dalam memahami proses pendinginan yang terjadi pada cooling tower. Garis kerja udara dimulai pada titik C yang terletak tegak lurus dibawah titik B dan mempunyai nilai enatlpi pada temperatur bola basah disisi masuk cooling tower. Gambar BC mewakili besarnya nilai pertama-tama dari driving force (h‟-h). Pada setiap kenaikan 10F air dingin maka besarnya kenaikan entalpi udara per poundnya (lb) bertambah 1Btu dikalika dengan perbandingan jumlah massa air (lb) dengan jumlah massa udara (lb) yaitu : (L/G)*1oF .Perbandingan nilai L/G ini adalah sama dengan besarnya sudut garis kerja udara. Udara yang meninggalkan menara pendingin ditunjukkan pada titik D, dan nilai dari cooling range adalah besarnya panjang garis CD yang diproyeksikan pada skala temperatur
(sumbu horiznontal). Sementara
besarnya nilai approach yang ditunjukkan pada gambar adalah perbedaan temperatur antara air dingin yang meninggalkan menara dengan temperatur bola basah sekitar menara. Titik koordinat yang secara langsung menunjukkan besar nilai temperature dan entalpi pada sembarang titik terletak pada garis kerja air, sedangkan pada garis kerja udara hanya menunjukkan besarnya nilai entalpi. Untuk menentukkan besarnya nilai temperatur bola basah pada sembarang titik di garis CD, ditentukan dengan cara memproyeksikan titik tersebut secara horizontal ke kurva saturasi, kemudian secara vertikal diproyeksikan lagi ke koordinat temperatur. Nilai integral dari persamaan 23 diwakili oleh luasan ABCD pada diagram. Besarnya nilai ini dikenal sebagai karakteristik cooling tower, yang besarnya bervariasi tergantung pada besarnya nilai perbandingan L/G. Sebagai contoh, pada penambahan temperatur bola basah di sisi masuk maka akan merubah titik asal C ke arah atas dan akan menyebabkan garis CD berubah bergerak ke kanan
untuk menjaga agar nilai KaV/L tetap. Jika nilai cooling range bertambah besar, garis CD juga akan memanjang. Perubahan nilai perbandingan L/G akan merubah besarnya sudut CD, dan setelah tercapai kesetimbangan, cooling tower tersebut akan mempunyai nilai KaV/L baru.
Gambar C.10. Diagram Operasi Menara Pendingin
Untuk memperkirakan kinerja dari cooling tower, sangatlah penting mengetahui karakteristik cooling tower yang dibutuhkan pada kondisi temperatur ruang dan air yang tetap. Karakteristik (KaV/L) ini dapat dihitung dengan cara diintegrallkan. Metode integral yang umum digunakan adalah metode Chebyshev, dengan melakukan perhitungan integral secara numerik yaitu : ∫
(
Dimana : = Nilai dari (h‟-h) pada T1 + 0.1(T1-T2) = Nilai dari (h‟-h) pada T1 + 0.4(T1-T2)
)
= Nilai dari (h‟-h) pada T1 + 0.6(T1-T2) = Nilai dari (h‟-h) pada T1 + 0.9(T1-T2)
Metode lain yang lebih cepat tetapi mempunyai keakuratan yang lebih rendah, yaitu menggunakan metode nomograph yang dapat dilihat pada gambar 2.19, yang disebut oleh Wood dan Betts. Cooling tower jenis mechanical draft biasanya didesain untuk besarnya nilai perbandingan L/G berkisar antara 0.75 sampai 1.50 dan besarnya nilai KaV/L bervariasi antara 0.5 sampai 2.5 .
Gambar C.11. Nomograph Karakteristik Menara Pendingin
C.7 Kinerja Cooling Tower Cara perhitungan yang digunakan di dalam melakukan analisis pengujian kinerja dari suatu menaara pendingin diantaranya adalah :
Perhitungan dengan menggunakan Kurva Karakteristik Dalam menguji 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 yang mempunyai pengaruh berarti dari hasil pengujian yang didapat, seperti kecepatan udara dan temperatur air panas harus dapat diatasi dengan variasi dari nilai L/G , 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 sebagai berikut : a. Perbandingan Nilai Pengujian L/G ⁄
(
)(
) (
) (
)
⁄
Dimana : = Laju aliran air sirkulasi yang masuk ke cooling tower saat pengujian (gpm) = Daya kipas cooling tower yang terpakai saat pengujian berlangsung (Hp) = Densitas udara basah saat pengujian (lb/ft3) = Spesifik volume udara pada sisi keluaran kipas (ft3/lb)
Besarnya nilai desain dan pengujian fan inlet specific volume ( ) 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, dan
untuk cooling tower jenis induced draft diambil pada sisi keluaran cooling tower.
b. Perhitungan Nilai KaV/L (NTU) Dengan menggunakan 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 2.3 ∫
c. Perhitungan Kemampuan Cooling tower Besarnya nilai L/G dan KaV/L yang didapat dari pengolahan data hasil pengujian dapat digambarkan pada grafik karakteristik 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 dari suatu cooling tower dapat ditentukan dengan cara berikut ini : Besarnya nilai 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 ⁄ ⁄
Perhitungan dengan menggunakan kurva kinerja Dalam menghitung dengan menggunakan kurva kinerja, terlebih dahulu harus mempunyai kurva kinerja dari 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 berdasarkan pada data-data cooling range, temperatur air dingin yang keluar cooling tower dan sirkulasi air yang 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 (
) (
(
)
)
C.8 Permasalahan Kinerja Cooling Tower Kinerja dari cooling tower akan menurun disebabkan oleh penurunan kinerja dari proses perpindahan panas yang terjadi pada cooling tower. Faktor-faktor yang menyebabkannya antara lain :
Terbentuknya kerak (scale) Ketika air menguap dari cooling tower dan meninggalkan kerak pada permukaan paking yang berasal dari mineral-mineral yang terbawa dan tidak larut di dalam air, maka kerak yang terbentuk akan berfungsi sebagai penghalang pada saat terjadinya perpindahan panas antara udara dan air. Terlalu banyaknya kerak (scale) yang terbentuk juga dapat sebagai tanda adanya masalah dalam proses water treatment.
Mampatnya Pendistrubusian Air Sirkulasi (Clogged Spray Nozzles) Tumbuhan lumut (algae) dan endapan-endapan yang terkumpul pada basin cooling tower dapat juga terbawa ke distribusi air (spray nozzles) dan lamakelamaan akan mengakibatkan beberapa spray nozzles mampat. 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 juga adanya masalah saringan yang mampat.
Terganggunya Aliran Udara Kurangnya aliran udara yang masuk cooling tower akan mengurangi jumlah perpindahan panas yang terjadi antara air dengan 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 o Berubahnya besar sudut susunan fan blade Jika berkurangnya aliran udara disebabkan oleh buruknya kinerja dari motor atau fan, maka kemungkinan besar 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, mampatnya saringan pada sisi masuk pompa, getaran berlebih yang terjadi dan kondisi operasi yang di luar desain, semuanya itu akan menyebabkan turunnya kinerja dari cooling tower. Selain itu juga akan mengakibatkan kegagalan yang tiba-tiba pada pompa tersebut.
