Cooling Tower Dan Chiller

COOLING TOWER DAN CHILLER

TUGAS MATA KULIAH TEKNIK PENDINGIN

JODY CHRISTIE 1051057011

GEMA SIGIT 10510570

UNIVERSITAS KRISTEN INDONESIA

TEKNIK MESIN

2012

1. PENDAHULUAN

Air dingin diperlukan untuk, sebagai contoh, penyejuk udara / AC, proses-

proses manufakturing atau pembangkitan daya. 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

2. KOMPONEN MENARA PENDINGIN (COOLING TOWER)

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.

a) 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.

b) 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:

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 plastik

memberikan perpindahan panas yang lebih baik daripada bahan

pengisi percikan dari kayu.

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.

c) 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.

d) Drift eliminators. Alat ini menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam

aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfir.

e) 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).

f) 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.

g) 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.

h) 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 dua-duanya

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.

3. JENIS – JENIS MENARA PENDINGIN

Bagian ini menjelaskan dua jenis utama menara pendingin: menara pendingin

jenis natural draft dan jenis mechanical draft.

3.1 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 dan 3. Menara pendingin natural draft aliran melintang

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.

3.2 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 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)

Jenis menara pendingin Keuntungan KerugianMenara pendingin forced draft (Gambar 4):udara dihembuskan ke menara oleh sebuah fan yang terletak pada saluran udara masuk

ƒ Cocok untukresistansi udara yang tinggi karena adanya fan dengan blower sentrifugal

ƒ Fan relatif tidakberisik

ƒ Resirkulasi karenakecepatan udara masuk yang tinggi dan udara keluar yang rendah, yang dapat diselesaikan dengan menempatkan menara di ruangan pabrik digabung dengan saluran pembuangan

Menara pendingin aliran melintang induced draft (Gambar 5):ƒ Air masuk pada puncak dan melewati

bahan pengisiƒ Udara masuk dari salah satu sisi (menara

aliran tunggal) atau pada sisi yang berlawanan (menara aliran ganda)

ƒ Fan induced draft mengalirkan udaramelintasi bahan pengisi menuju saluran keluar pada puncak menara

ƒ Lebih sedikitresirkulasi daripada menara forced draft sebab kecepatan keluarnya 3 hingga4 kali lebih tinggi daripada udara masuk

ƒ Fan dan mekanismepenggerak motor dibutuhkan yang tahan cuaca terhadap embun dan korosi sebab mereka berada pada jalur udara keluar yang lembab

Menara pendingin aliran b e rlawanan induced draft (Gambar 6):ƒ Air panas masuk pada puncakƒ Udara masuk dari bawah dan keluar pada

puncakƒ Menggunakan fan forced dan induced

draft

Gambar 4. Menara Pendingin Forced Draft (REFERENSI)

Gambar 5. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan

Gambar 6. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang

4. PRINSIP KERJA COOLING TOWER

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. Sebagai akibatnya,

air yang tersisa didinginkan secara signifikan, skema menara pendingin tersebut

dapat dilihat pada gambar yang diambil dari [8], sebagai berikut.

Prinsip kerja menara pendingin dapat dilihat pada gambar 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 isapan atau dorongan fan/blower yang

terpasang pada menara pendingin, lalu mengalir jatuh ke bahan pengisi (filler).

Air yang sudah mengalami penurunan suhu ditampung ke dalam

bak/basin. Pada cooling tower juga dipasang katup make up water untuk menambah

kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air (drift loses) ketika proses

evaporative cooling tersebut sedang berlangsung.

5. 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

Selama evaluasi kinerja, peralatan pemantauan yang portable digunakan untuk

mengukur parameter-parameter berikut:

ƒ Suhu udara wet bulb

ƒ Suhu udara dry bulb

ƒ Suhu air masuk menara pendingin

ƒ Suhu air keluar menara pendingin

ƒ Suhu udara keluar

ƒ Pembacaan listrik motor pompa dan fan

ƒ Laju alir air

ƒ Laju alir udara

Suhu Air Panas (Masuk)

Gambar 7. Range dan approach menara pendingin

Parameter terukur tersebut kemudian digunakan untuk menentukan kinerja

menara pendingin dengan beberapa cara. Yaitu:

5.1 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)]

(Masuk) ke Menara (Keluar) dari Menara

Suhu Air Dingin (Keluar)

Suhu Wet Bulb (Ambien)Approach

Range

5.2 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)]

5.3 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)

5.4 Kapasitas pendinginan. Merupakan panas yang dibuang dalam

kKal/jam atau TR, sebagai hasil dari kecepatan aliran masa air, panas spesifik dan

perbedaan suhu.

5.5 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

5.6 Siklus konsentrasi (C.O.C). Merupakan perbandingan padatan terlarut dalam

air sirkulasi terhadap padatan terlarut dalam air make up.

5.7 Kehilangan Blow down tergantung pada siklus konsentrasi dan kehilangan

penguapan dan dihitung dengan rumus:

Blow down = Kehilangan penguapan/ (C.O.C. – 1)

5.8 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)

Efektivitas pendinginan

Efektivitas pendinginan merupakan perbandingan antara range dan range ideal.

Semakin tinggi perbandingan ini, maka semakin tinggi efektivitas pendinginan suatu

menara pendingin.

Debit air spesifik

Sesuai dengan ukuran luas penampang menara pendingin dan debit air, maka dapat

dihitung debit air spesifik dengan rumus sebagai berikut.

msp. = debit air spesifik (ℓ/min/m2)

m = debit air (ℓ/menit)

Atower = luas penampang menara pendingin (m2).

Kapasitas pendinginan (cooling load)

Kapasitas pendinginan suatu menara pendingin adalah setara dengan kemampuan

menara pendingin tersebut dalam membuang panas ke lingkungan. Kapasitas

pendinginan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.

Q = kapasitas pendinginan (kW)

m = debit air (kg/s)

Cp = kalor jenis air (KJ/kg°C)

ΔT = perbedaan suhu air masuk dan suhu air keluar (°C)

Laju penguapan air ke udara

Salah satu parameter kinerja menara pendingin yang penting adalah laju penguapan

air ke udara. Proses penguapan inilah yang menjadi prinsip dasar suatu menara

pendingin dalam mendinginkan air kondensor. Adapun rumus untuk menghitung laju

penguapan air ke udara

pada suatu menara pendingin adalah sebagai berikut.

(ωH2 - ωH1) = selisih antara rasio kelembaban udara keluar dan masuk menara

pendingin (kg uap air / kg udara)

V = debit aliran udara (m³/s)

ρ = densitas air = 0,99285 kg/ℓ

v1 = volum spesifik udara ambien (m3/kg).

Rasio air dengan udara

Nilai rasio air-udara adalah parameter yang sangat penting dalam pemilihan suatu

menara pendingin, terutama dalam pemilihan kapasitas fan. Rasio ini merupakan

perbandingan antara debit air spesifik yang hendak didinginkan terhadap debit udara

spesifik yang diinduksikan oleh fan minimum.

Kesetimbangan energi

Dengan asumsi adiabatis untuk operasi suatu menara pendingin, maka akan berlaku

persamaan kesetimbangan energi antara energi yang masuk dan keluar dari suatu

menara pendingin.

Adapun persamaan kesetimbangan energi yang dimaksud adalah sebagai berikut:

dimana:

ha = entalpi udara kering (kJ/kg)

ωH = rasio kelembaban udara (kg uap air / kg udara)

hv = entalpi uap air di udara (kJ/kg)

ωω = rasio cair-gas udara (kg air / kg udara kering)

hf = entalpi air (kJ/kg)

ha + ωH hv = entalpi campuran udara-uap air (kJ/kg).

6. KESIMPULAN

Semua mesin pendingin yang bekerja akan melepaskan kalor melalui kondensor,

refrijeran akan melepas kalornya kepada air pendingin sehingga air menjadi panas.

Selanjutnya air panas ini akan dipompakan ke menara pendingin. Menara pendingin

secara garis besar berfungsi untuk menyerap kalor dari air tersebut dan menyediakan

sejumlah air yang relatif sejuk (dingin) untuk dipergunakan kembali di suatu instalasi

pendingin atau dengan kata lain menara pendingin berfungsi untuk menurunkan suhu

aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke

atmosfir.

Kinerja menara pendingin akan berdampak langsung pada unjuk kerja sistem

chiller secara keseluruhan. Pemilihan menara pendingin dengan approach

rendah/kecil akan meningkatkan efisiensi chiller, namun akan menambah konsumsi

energi fan dan biaya awal. Semakin tinggi temperature bola basah setempat,

semakin tinggi kebutuhan laju alir air menara pendingin .