PENGARUH VARIASI DEBIT AIR PENDINGIN TERHADAP
SUHU KONDENSASI AIR DALAM MENARA PENDINGIN
Dany Iman Santoso1, Akhmad Hafizh Ainur Rasyid [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Sistem pendingin dengan menara pendingin telah banyak digunakan dalam dunia industri salah satunya adalah pembangkit daya uap. Inti dari menara pendingin adalah melepas panas dari fluida kerja ke atmosfer dengan bantuan kipas. Keoptimalan perpindahan panas antara fluida kerja dengan atmosfer bergantung pada debit fluida kerja yang dialirkan dan debit udara yang mendinginkan. Besar debit fluida kerja dengan debit udara perlu ditemukan pada titik tertentu sehingga didapatkan perpindahan panas maksimum. Pada penelitian ini dilakukan variasi debit air sebagai pendingin radiator dari debit 0,5 LPM hingga 18 LPM dan debit udara dibiarkan tetap pada putaran poros kipas sebesar 1500 rpm. Dari perhitungan data pengukuran didapat fenomena daya pompa, input panas, dan ouput panas semakin menurun dengan makin bertambahnya suhu kondensasi namun COP siklus semakin meningkat dengan semakin bertambahnya suhu kondensasi. Hal serupa juga terjadi pada fenomena menara pendingin yaitu input panas dan ouput panas menara pendingin semakin menurun dengan makin bertambahnya suhu kondensasi namun efisiensi menara pendingin makin meningkat dengan makin bertambahnya suhu kondensasi.
Kata Kunci: Menara pendingin, debit air, debit udara.
ABSTRACT
Refrigeration system with cooling tower have been many used in industrial, one of them was in steam power generation. The main of the cooling tower is to release heat from working fluid to atmosphere with the help of fan. The optimization of heat transfer between working fluid to atmosphere depend on the working fluid capacity which through in the chamber and the air capacity which cooling down. The amount of working fluid capacity and air capacity need to be met on a define spot so that it got the maximum heat transfer. In this research has been did variation of water capacity as radiator cooling from capacity of 0,5 LPM to 18 LPM and the air capacity has been released constant to fan axis rotation as 1500 rpm. From the count of measured data we got phenomenon of pump power, heat input, and heat output that are the value of thatmore diminishly with the increasing of condensation temperature but the cycle COP more increasingly with the increasing of condensation temperature. The same things also happen in the
2
cooling tower phenomenon that are the value of cooling tower heat input and heat output more diminishly with the increasing of condensation temperature but the cooling tower COP more increasingly with the increasing of condensation temperature.
Keywords: cooling tower, water capacity, air capacity.
Pendahuluan
Pendinginan siklus uap umumnya mempergunakan menara pendingin sebagai media penukar panas antara fluida panas dengan fluida dingin namun dia sendiri biasanyabertindak sebagai perangkat sekunder dalam sistem pendinginan karena yang bertindak sebagai perangkat primer umumnya adalah kondensor. Jenis kondensor yang umum digunakan adalah tipe shell and tube heat exchanger. Hal ini dikarenakan efektifitas dan efisiensi penukar panas tipe shell and tube adalah yang tertinggi diantara tipe yang lain. Tujuan utama kondensor (Kapooria, 2008) adalah mengembunkan uap keluar dari turbin untuk digunakan kembali dalam siklus, dan untuk memaksimalkan efisiensi turbin oleh pemeliharaan vakum yang tepat.
Permasalahan transmisi panas dijumpai dalam banyak industri dan karena keragaman dalam aplikasi lapangan, di sana terdapat terdapat perbedaan tak terhitung dalam perincian. Akan tetapi perhitungan prinsip permasalahan pokok untuk merancang heat exchanger dimanapun adalah sama (Than, 2008) dan hal tersebut adalah tujuan artikel ini untuk memberikan perhitungan rancangan daripada berurusan dengan perincian permasalahan perorangan dan kasus khusus.
Menara pendingin adalah perangkat pembuang panas efektif namun mereka bertanggung jawab untuk penggunaan volume besar, pada banyak kasus, air minum dan dapat berjumlah hingga di atas sebuah gedung atau sebuah tempat penggunaan air total. Menara pendingin
gedung komersial besar dan industri proses kompleks dapat menghabiskan volume air minum besar sepanjang waktu. Dengan bertambahnya biaya air dan perhatian sehubungan kelangkaan masa depannya, konsumsi menara pendingin air harus diatur dengan baik dan dikurangi bila mampu (Airah, 2009).
Kajian Pustaka
Sebuah siklus pendingin yang menyertakan menara pendingin sebagai pendingin siklus uap seperti yang ditunjukkan Gambar 1, air dipompa dari dasar menara pendingin untuk dialirkan ke heat exchanger yang berfungsi sebagai kondensor. Setelah air menyerap panas dari kondensor, dia dialirkan kembali menuju menara pendingin untuk melepas panas ke atmosfer. Agar pelepasan panas dari air ke atmosfer berjalan optimal, proses ini dibantu oleh kipas yang dipasang di atas menara.
Gambar 1. Skematika siklus pendingin dari siklus uap yang menyertakan
menara pendingin (Airah, 2009)
Pengukuran sifat-sifat air dalam siklus ini tidak terlepas dari pemasangan alat ukur pada titik-titik tertentu. Skematika titik pemasangan alat ukur fluida berupa thermostat dan pressure gauge ditunjukkan oleh Gambar 2 berikut.
Gambar 2. Skematika titik-titik ukur air pendingin
Pompa
Kerja kompresi pompa dihitung menggunakan Persamaan (1) dengan memperhitungkan enthalpy air yang masuk dan yang keluar pompa
̇ = ̇ (ℎ − ℎ ) (1)
dimana:
̇ : daya yang diberikan oleh pompa ke dalam siklus dalam kW
̇ : laju massa air dalam siklus dalam kg/s
ℎ : enthalpy air masuk pompa/keluar menara pendingin dalam kJ/kg ℎ : enthalpy air keluar pompa dalam
kJ/kg
Kondensor
Kapasitas kondensor dihitung menggunakan Persamaan (2) dengan memperhitungkan enthalpy air yang masuk dan keluar kondensor
̇ = ̇ (ℎ − ℎ ) (2)
dimana:
ℎ : enthalpy air masuk kondensor dalam kJ/kg
ℎ : enthalpy air keluar kondensor dalam kJ/kg
Menara Pendingin
Panas yang dibuang oleh menara pendingin dihitung menggunakan Persamaan (3) dengan memperhitungkan enthalpy air yang masuk dan yang keluar menara pendingin
̇ = ̇ (ℎ − ℎ ) (3)
dimana:
ℎ : enthalpy air masuk menara pendingin dalam kJ/kg
Disamping skematika titik-titik ukur air pendingin seperti ditunjukkan dalam Gambar 2, di dalam menara pendingin sendiri juga dipasang alat ukur untuk mengukur perbedaan suhu dalam segmen tertentu di dalam menara. Hal ini diperlukan untuk mengukur besar koefisien perpindahan panas konveksi. Gambar 3 menunjukkan skema penempatan alat ukur suhu berupa thermostat dalam menara pendingin
Gambar 3. Skematika penempatan thermostat dalam menara pendingin
Salah satu rancangan menara pendingin tipe aliran berlawanan dimana udara melintas ke atas melalui semprotan air yang jatuh. Gambar 4 menunjukkan perbedaan volume menara pendingin arah kebalikan dengan L kg/s air masuk dari atas dan G kg/s udara masuk dari bawah. Untuk penyederhanaan, kuantitas kecil air yang menguap diabaikan, sehingga L dan G bersisa tetap sepanjang menara. Kondensor Menara Pendingin Pompa 1 2 3 4 5
4
Gambar 4.Pertukaran energi pada volume yang berbeda sebuah menara pendingin aliran berlawanan (Stoecker &
Jones, 1997)
Air memasuki ruang pada suhu t°C dan meninggalkan pada suhu sedikit lebih bawah t – dt. Udara memasuki ruang pada suhu dengan enthalpy ha kJ
per kg udara kering dan meninggalkan dengan enthalpy ha + dha. Luas total
permukaan terbasahi dA memasukkan luas permukaan dijatuhi air baik seperti tetesan terbasahi atau material terisi lain.
Laju panas terbuang dari air dq sama dengan laju yang diperoleh oleh udara (Stoecker& Jones, 1997)
= ℎ = , . (4)
Pernyataan untuk dq adalah
= (ℎ − ℎ ) (5)
dimana:
ℎ : koefisien konveksi dalam kW/m2·K
ℎ : enthalpy udara jenuh pada suhu air dalam kJ/kg(udara kering)
ℎ : enthalpy udara dalam kJ/kg(udara kering)
: panas spesifik udara lembab dalam kJ/kg · K
Untuk mencari laju panas yang dipindah oleh menara pendingin keseluruhan, Persamaan (5) harus diintegrasi. Kedua ℎ dan ℎ masing-masing berubah terhadap variabel integrasi A. Mengkombinasi, menata
ulang, dan mengintegrasi Persamaan (4) dan (5) memberikan
4,19 ∫ = ∫ = (6)
dimana dan masing-masing adalah suhu-suhu air yang masuk dan yang keluar menara.
Salah satu metode tradisional melakukan integrasi Persaman (6) adalah suatu proses numerikal yang diindikasikan oleh
= 4,19 ∆ ∑
( ) (7)
dimana (ℎ − ℎ ) adalah perbedaan enthalpy rata-rata aritmatika untuk suatu kenaikan volume. Sehingga efisiensi untuk menara pendingin adalah sebagai berikut
= ̇ ̇ ̇ =
̇ ( )
( ) ̇ ( ) (8)
Siklus Pendingin
Dari data tiap-tiap komponen siklus pendingin di atas, dapat dihitung koefisien performa siklus pendingin menggunakan Persamaan (4) berikut
= ̇ ̇ = ̇ ̇ ̇ (9)
Metode Penelitian
Menara pendingin yang digunakan dalam penelitian ini adalah tandon air plastik sedangkan heat exchanger yang berfungsi sebagai kondensor adalah radiator mobil.Sedangkan sumber masukan panas adalah kompor gas yang memanaskan air dalam rebusan berbentuk kotak. Gambar 5 menunjukkan susunan peralatan yang digunakan dalam penelitian.
Gambar 5. Peralatan siklus pendingin dengan menyertakan menara pendingin Sedangkan hasil pengukuran sifat-sifat fluida kerja sistem kondensor yang disertai menara pendingin disajikan pada Tabel 1 berikut
Tabel 1. Hasil pengukuran sistem kondensor dengan menara pendingin
Hasil perhitungan menggunakan formulasi-formulasi dan hasil-hasil pengukuran yang ada di atas ditunjukkan oleh Tabel 2 berikut
Debit Air P1 P2 P3 P4 P5 T1 T3 T4 T5 T6 T7 0,5 0,05 1,8 2,4 2,2 2 38,5 42,3 49,5 48,9 42,2 40,2 1,0 0,05 1,8 2,6 2,4 2,2 38,3 42,2 49,4 48,8 42,1 40,1 1,5 0,05 2 2,6 2,4 2,2 38,1 42 49,2 48,6 42 40 2,0 0,05 2 2,8 2,6 2,4 37,9 41,9 49,1 48,5 41,8 39,8 2,5 0,05 2,2 2,8 2,6 2,4 37,7 41,8 49 48,4 41,7 39,7 3,0 0,05 2,2 3 2,8 2,6 37,5 41,6 48,8 48,2 41,6 39,6 3,5 0,05 2,4 3 2,8 2,6 37,3 41,5 48,6 48,1 41,4 39,4 4,0 0,05 2,4 3,2 3 2,8 37,1 41,4 48,5 48 41,3 39,3 4,5 0,05 2,6 3,2 3 2,8 36,9 41,2 48,4 47,8 41,2 39,2 5,0 0,05 2,8 3,4 3,2 3 36,7 41 48,2 47,6 41 39 5,5 0,05 2,8 3,4 3,2 3 36,5 40,8 48 47,4 40,9 38,9 6,0 0,05 3 3,6 3,4 3,2 36,3 40,6 47,8 47,2 40,8 38,8 6,5 0,1 3 3,6 3,4 3,2 36,1 40,4 47,6 47 40,7 38,6 7,0 0,1 3,2 3,8 3,6 3,4 35,9 40,2 47,4 46,8 40,6 38,5 7,5 0,1 3,2 3,8 3,6 3,4 35,7 40 47,2 46,6 40,4 38,4 8,0 0,1 3,4 4 3,8 3,6 35,5 39,8 47 46,4 40,3 38,2 8,5 0,1 3,4 4 3,8 3,6 35,3 39,6 46,8 46,2 40,2 38 9,0 0,1 3,6 4,2 4 3,8 35,1 39,4 46,6 46 40 37,8 9,5 0,1 3,6 4,2 4 3,8 34,7 39,2 46,4 45,8 39,8 37,6 10,0 0,1 3,8 4,4 4,2 4 34,5 39 46,2 45,6 39,6 37,4 10,5 0,1 3,8 4,4 4,2 4 34,3 38,8 46 45,4 39,4 37,2 11,0 0,1 4 4,6 4,4 4,2 34,1 38,6 45,8 45,2 39,2 37 11,5 0,1 4 4,6 4,4 4,2 33,9 38,4 45,6 45 39 36,8 12,0 0,1 4,2 4,8 4,6 4,4 33,7 38,2 45,4 44,8 38,8 36,6 12,5 0,15 4,2 4,8 4,6 4,4 33,5 38 45,2 44,6 38,6 36,4 13,0 0,15 4,4 5 4,8 4,6 33,3 37,8 45 44,4 38,4 36,2 13,5 0,15 4,4 5,2 4,8 4,6 33,1 37,6 44,8 44,2 38,2 36 14,0 0,15 4,6 5,2 5 4,8 32,9 37,4 44,6 44 38 35,8 14,5 0,15 4,6 5,4 5,2 4,8 32,7 37,2 44,4 43,8 37,8 35,6 15,0 0,15 4,8 5,4 5,2 5 32,5 37 44,2 43,6 37,6 35,4 15,5 0,15 4,8 5,6 5,4 5,2 32,3 36,8 44 43,4 37,4 35,2 16,0 0,15 5 5,6 5,6 5,2 32,1 36,6 43,8 43,2 37,2 35 16,5 0,15 5 5,8 5,6 5,4 31,9 36,4 43,6 43 37 34,8 17,0 0,15 5,2 6 5,8 5,6 31,7 36,2 43,4 42,9 36,8 34,6 17,5 0,15 5,2 6 5,8 5,6 31,5 36 43,3 42,8 36,6 34,4 18,0 0,15 5,4 6,2 6 5,8 31,3 35,8 43,1 42,7 36,4 34,2
6
Tabel 2. Hasil perhitungan siklus pendingin sistem kondensor
h1 h2 h3 h4 h5 0,008325 161,3029 177,3473 177,3998 207,493 204,9665 0,133569 0,250526 0,363499 2,2175564 0,01665 160,4667 176,9291 176,9991 207,092 204,5655 0,274098 0,501046 0,734245 2,14857783 0,024975 159,6305 176,1102 176,1627 206,2556 203,7291 0,411579 0,751569 1,101362 2,14860825 0,0333 158,7943 175,692 175,762 205,8546 203,3282 0,562691 1,002082 1,482977 2,08378595 0,041625 157,9581 175,2913 175,3438 205,4364 202,91 0,721492 1,252602 1,87112 2,02516738 0,04995 157,1219 174,4549 174,525 204,6172 202,0908 0,86578 1,503107 2,246196 2,02278269 0,058275 156,2857 174,0542 174,1068 203,7808 201,6726 1,035457 1,729255 2,644921 1,88852058 0,0666 155,4495 173,636 173,7062 203,3799 201,2717 1,211218 1,976271 3,051755 1,83756317 0,074925 154,6133 172,8171 172,8698 202,9617 200,4353 1,36392 2,254637 3,433211 1,91302057 0,08325 153,7771 171,9983 172,051 202,1426 199,6162 1,516912 2,505126 3,816102 1,91088631 0,091575 152,941 171,1619 171,2146 201,3062 198,7798 1,668586 2,755638 4,197696 1,91090623 0,0999 152,1048 170,3431 170,3958 200,4871 197,9608 1,822013 3,006119 4,581015 1,90877359 0,108225 151,273 169,5067 169,5595 199,6508 197,1244 1,973346 3,256628 4,962265 1,90933245 0,11655 150,4368 168,688 168,7407 198,8317 196,3053 2,127171 3,507102 5,345976 1,90720059 0,124875 149,6006 167,8516 167,9044 197,9954 195,469 2,27909 3,757608 5,727811 1,90721877 0,1332 148,7644 167,0332 167,086 197,1763 194,65 2,4334 4,008024 6,111952 1,90502012 0,141525 147,9282 166,1972 166,2501 196,34 193,8136 2,585516 4,258472 6,493927 1,90496883 0,14985 147,092 165,3788 165,4318 195,521 192,9946 2,740277 4,508867 6,878499 1,90277022 0,158175 145,4197 164,5429 164,5958 194,6846 192,1583 3,024813 4,759298 7,39288 1,80715817 0,1665 144,5835 163,7245 163,7775 193,8656 191,3393 3,186989 5,009671 7,784846 1,80517267 0,174825 143,7473 162,8886 162,9416 193,0293 190,503 3,346377 5,260086 8,174064 1,80512239 0,18315 142,9111 162,0703 162,1233 192,2103 189,684 3,509008 5,510436 8,566463 1,8031367 0,191475 142,0749 161,2343 161,2874 191,374 188,8477 3,668553 5,760835 8,955823 1,80308499 0,1998 141,2387 160,4161 160,4692 190,5551 188,0288 3,83164 6,011161 9,348657 1,80109913 0,208125 140,407 159,5801 159,6333 189,7188 187,1924 3,990407 6,261544 9,737223 1,80153104 0,21645 139,5708 158,7619 158,8151 188,8999 186,3735 4,153914 6,511846 10,13045 1,79954429 0,224775 138,7346 157,926 157,9969 188,0636 185,5372 4,313737 6,758224 10,52006 1,79652194 0,2331 137,8984 157,1078 157,1611 187,2447 184,7184 4,477704 7,01249 10,91373 1,79750315 0,241425 137,0622 156,2719 156,3429 186,4258 183,8821 4,637686 7,262754 11,30348 1,79738852 0,24975 136,226 155,4537 155,5071 185,5895 183,0632 4,802114 7,513093 11,69759 1,79546048 0,258075 135,3898 154,6178 154,689 184,7707 182,2444 4,962256 7,763332 12,09199 1,79347476 0,2664 134,5537 153,7997 153,8531 183,9518 181,4081 5,127146 8,018299 12,48203 1,79632386 0,274725 133,7175 152,9638 153,0351 183,1156 180,5893 5,28745 8,263866 12,87686 1,79143048 0,28305 132,8813 152,1457 152,217 182,2968 180,1886 5,452804 8,514064 13,39035 1,74601432 0,291375 132,0451 151,3098 151,3812 181,8786 179,7705 5,613269 8,886189 13,906 1,77022528 0,2997 131,2089 150,4918 150,5632 181,0598 179,3699 5,779089 9,139841 14,43384 1,72645203
PERHITUNGAN SIKLUS PENDINGIN
Hasil dan Pembahasan
Dari perhitungan pada Tabel 2 didapatkan hasil berupa grafik-grafik yang disajikan pada pembahasan berikut ini. Grafik pertama adalah hubungan daya pompa terhadap suhu kondensasi air dalam menara pendingin.
Gambar 6. Hubungan daya pompa terhadap suhu kondensasi
Dari grafik di atas terlihat bahwa semakin tinggi suhu kondensasi maka semakin turun daya pompa. Hal ini terjadi karena daya pompa sebanding dengan laju aliran massa air dalam pipa pendingin radiator seperti terlihat pada Persaman (1). Debit air sebanding dengan laju aliran massa seperti ditunjukkan pada Persamaan (10) berikut
̇ = × = × (10)
dimana:
ρ : massa jenis air = 999 kg/m3 Q : debit dalam m3/s
V : kecepatan dalam m/s A : luas penampang dalam m2
Dari Persamaan (10) nampak bahwa laju aliran massa berbanding lurus degan debit sehingga apabila debit dinaikkan maka laju aliran massa juga ikut naik. Pada penelitian ini debit air sebagai fluida kerja siklus pendingin divariasikan debit nya dari 0,5 LPM hingga 18 LPM dengan kenaikan tiap 0,5 LPM. Dengan kenaikan yang memiliki rentang kecil ini diharapkan
thermodinamika air dapat teramati dengan baik.
Dari grafik daya pompa pada Gambar 6 nampak bahwa daya pompa bergantung pada debit air yang dialirkan. Misal pada debit air kecil 0,5 LPM, daya pompa yang dibutuhkan untuk mengalirkan air juga kecil sesuai dengan hukum Bernoulli yang ditunjukkan oleh Persamaan (11) berikut
+ ℎ + = (11)
dimana:
P : tekanan fluida dalam kPa
g : percepatan gravitasi lokal = 9,8
m/s2
h : ketinggian fluida dalam m
Dari persamaan Bernoulli di atas nampak bahwa daya yang dibutuhkan untuk mengatasi tekanan, ketinggian, dan kecepatan fluida adalah tetap. Artinya jika massa fluida yang dialirkan besar maka dibutuhkan daya yang besar namun jika massa fluida yang dialirkan kecil maka dibutuhkan daya yang kecil. Dari grafik daya pompa pada Gambar 6 nampak bahwa untuk debit air kecil maka dibutuhkan daya pompa yang kecil namun didapatkan suhu kondensasi besar. Hal ini dikarenakan debit air kecil menyebabkan perpindahan panas konveksi antara fluida panas ke fluida dingin menurun dan menyebabkan suhu air dingin naik. Perpindahan panas konveksi ini disajikan oleh Persamaan (12) berikut
= ℎ ( − ) (12)
dimana:
q : perpindahan panas konveksi dalam
kJ/kg
h : koefisien perpindahan panas konveksi dalam kJ/kg · m2 · K
Th : suhu panas dalam K
Tc : suhu dingin dalam K
Sedangkan koefisien perpindahan panas sendiri merupakan fungsi dari beberapa bilangan yang ditunjukkan oleh
0 1 2 3 4 5 6 37 38 39 40 41 42 43 44 D ay a P o m p a (k W ) Suhu Kondensasi (°C) Daya Pompa
8
ℎ = ∙ (13)
dimana:
Nu : bilangan Nusselt
kf : koefisien perpindahan panas
konduksi fluida dalam kJ/kg · m · K
L : panjang lintasan fluida dalam m
Bilangan Nusselt sendiri merupakan bilangan yang merupakan sebuah fungsi. Fungsi bilangan Nusselt ditunjukkan oleh Persamaan (14) berikut
= ( ∗, , ) (14)
dimana:
x* : panjang karakteristik = x/L
ReL: bilangan Reynold berdasar panjang
permukaan
Pr : bilangan Prandtl
Bilangan Prandtl merupakan bilangan karakteristik tiap zat berdasarkan kemampuannya dalam meindah panas secara konveksi. Sedangan bilangan Reynold merupakan fungsi aliran fluida seperti ditunjukkan pada Persamaan (15) berikut
= ∙ (15)
dimana:
ν : viskositas relatif fluida = μ/ρ
Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa nilai koefisien perpindahan panas konveksi h memiliki hubungan berbanding lurus terhadap besar aliran massa fluida ̇ . Semakin kecil laju aliran massa fluida maka semakin kecil nilai kofisien perpindahan panas konveksi antara fluida panas dengan fluida dingin pada radiator sehingga perbedaan suhu antara keduanya semakin besar yang mengakibatkan suhu kondensasi air pada menara pedingin juga semakin besar. Kesimpulan ini semakin diperkuat dengan grafik masukan panas dari fluida panas ke fluida dingin pada Gambar 7.
Gambar 7 menunjukkan hubungan input panas ke siklus pendingin terhadap suhu kondensasi.
Gambar 7. Hubungan input panas siklus pendingin terhadap suhu kondensasi
Dari Gambar 7 nampak bahwa semakin tinggi suhu kondensasi maka semakin kecil input panas ke dalam fluida kerja. Hal ini dapat terjadi karena input panas ke fluida kerja bergantung pada laju aliran massa air dalam radiator. Sama hal nya dengan daya pompa, input panas akan semakin menurun dengan semakin menurunnya debit air, penjelasannya adalah sebagai berikut: debit air kecil menyebabkan bilanga Reynold kecil, bilangan Reynold kecil menyebabkan bilangan Nusselt kecil, bilangan Nusselt kecil menyebabkan koefisien perpindahan panas konveksi kecil, koefisien perpindahan panas kecil menyebabkan suhu air tinggi, suhu air tinggi menyebabkan suhu kondensasi tinggi.
Runtutan penjelasan hubungan antara input panas terhadap suhu kondensasi tertulis dari Persamaan (12) hingga Persamaan (15) dimana pengaruh debit air diurut dari Persamaan (15) ke Persamaan (12). Dari penjelasan ini semain menegaskan bahwa jumlah massa fluida kerja berpengaruh signifikan terhadap siklus pendiginan ini. 0 2 4 6 8 10 37 38 39 40 41 42 43 44 In p u t P an as ( kW ) Suhu Kondensasi (°C) Input Panas Siklus
Gambar 8 berikut ini menunjukkan hubungan output panas dari siklus pendingin terhadap suhu kondensasi.
Gambar 8. Hubungan ouput panas siklus pendingin terhadap suhu
kondensasi
Dari grafik pada Gambar 8 nampak bahwa semakin tinggi suhu kondensasi maka semakin menurun output panas dari siklus pendingin. Lagi-lagi pengaruh debit air sebagai fluida kerja siklus pendingin ini masih terasa, hal ini adalah dampak dari suhu air yang tinggi saat air meninggalkan radiator sebagai alat penukar panas pada saat debit air kecil. Suhu air yang terdeteksi di titik 4 skema titik ukur pada Gambar 2, jika tinggi maka suhu air di titik 5 juga tinggi, hal ini menyebabkan suhu di titik 1 juga tinggi karena besar kecepatan putar kipas adalah konstan. Sedangkan jika suhu air di titik 4 rendah maka suhu air di titik 5 juga rendah yang menyebabkan suhu air di titik 1 juga rendah.
Pengaruh berbeda ditunjukkan oleh performa siklus pendingin yang berbentuk COP (Coefficient Of Performa) yaitu perbandingan antara
input panas dan otput panas seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan (9). Hubungan antara COP siklus pendingin dengan suhu kondensasi seperti ditunjukkan oleh Gambar 9 berikut
Gambar 9. Hubungan COP siklus pendingin terhadap suhu kondensasi
Dari grafik pada Gambar 9 nampak bahwa semakin tinggi suhu kondensasi maka semakin meningkat COP siklus pendingin. Hal ini menunjukkan interaksi antara input panas dan output panas pada fluida kerja semakin meningkat dengan semakin bertambahnya suhu kondensasi.
Saat debit air kecil menjadikan kecepatan aliran air kecil, dengan kecepatan aliran air kecil maka bilangan Reynold kecil. Dengan bilangan Reynold kecil maka bilangan Nusselt kecil yang mengakibatkan koefisien perpindahan panas konveksi kecil sehingga dengan fluks panas yang sama dari air panas pada radiator mengakibatkan suhu air dalam siklus pendingin menjadi naik. Suhu air naik membuat suhu kondensasi air dalam menara pendingin naik.
Saat debit air kecil menghasilkan kecepatan aliran air kecil, dengan kecepatan aliran air kecil menghasilkan bilangan Reynold kecil. Bilangan Reynold kecil menyebabkan bilangan Nusselt kecil. Bilangan Nusselt kecil menyebabkan koefisien perpindahan panas konveksi juga kecil sehingga dengan nilai fluks yang sama dari air panas di radiator menyebabkan suhu air yang mendinginkan menjadi naik. Suhu air naik menyebabkan suhu kondensasi
0 2 4 6 8 10 12 14 16 37 38 39 40 41 42 43 44 O u tp u t P an as ( kW ) Suhu Kondensasi (°C) Output Panas Siklus
1.7 1.9 2.1 2.3 37 38 39 40 41 42 43 44 C O P K o n d e n so r Suhu Kondensasi (°C) COP Siklus Kondensor
10
air dalam menara pendingin pun menjadi naik.
Dari dua analisis untuk input panas dan output panas di atas nampak bahwapada debit air kecil, suhu kondensasi tinggi baik untuk input panas maupun output panas.Dari data hasil pengukuran, input panas pada Persamaan (2) didasarkan pada titik 3 dan titik 4 dimana perbedaan suhu antara kedua titik tersebut lebih kecil dibandingkan perbedaan suhu antara titik 5 dan titik 1 yang merupakan parameter dalam perhitungan output panas pada Persamaan (3). Berdasarkan data suhu tersebut dihitung besar enthalpy masing-masing titik sehingga didapat besar COP siklus pendingin sesuai Persamaan (9).
Hal yang sama juga dilakukan untuk mendapatkan nilai COP siklus pendingin pada debit air besar. Dari data pengukuran didapatkan perbedaan suhu antara titik 3 dan titik 4 lebih besar dibanding perbedaan suhu antara titik 5 dan titik 1. Hal ini mengakibatkan hasil perhitungan perbedaan enthalpy antara titik 3 dan titik 4 lebih besar dibanding perbedaan enthalpy antara titik 5 dan titik 1. Pada akhirnya didapat nilai COP sesuai Persamaan (9).
Jika dibandingkan antara nilai COP debit air kecil dan nilai COP debit air besar didapat nilai COP debit air kecil lebih besar dibanding nilai COP debit air besar. Hal ini mengindikasikan bahwa pada debit air kecil, nilai output panas memiliki besar yang hampir sama dengan nilai input panas karena pada debit air kecil, pertukaran panas antara air dengan udara di dalam menara pendingin terjadi sangat efektif. Dengan debit air kecil menyebabkan aliran air dalam menara pendingin kecil sehingga waktu kontak antara air dengan udara terjadi sangat efektif. Karena waktu kontak yang lama maka pertukaran panas antara air dengan udara terjadi
lebih lama sehingga COP siklus juga ikut tinggi.
Sedangkan untuk debit air besar menyebabkan kecepatan aliran air juga besar sehingga waktu kontak antara air dengan udara terjadi dalam waktu yang lebih singkat. Karena waktu kontak yang lebih singkat menyebabkan efektifitas pertukaran panas antara air dengan udara berkurang. Hal ini yang menyebabkan besar output panas tidak mendekati besar input panas yang menyebabkan nilai COP siklus kecil.
Untuk melengkapi analisis performa siklus pendingin, berikut disajikan analisis COP menara pendingin yang disajikan dalam bentuk grafik input dan output panas serta COP menara. Gambar 10 menyajikan grafik input panas menara pendingin terhadap suhu kondensasi
Gambar 10. Hubungan input panas menara pendingin terhadap suhu
kondensasi
Dari grafik pada Gambar 10 di atas nampak bahwa semakin tinggi suhu kondensasi menyebabkan input panas ke menara pendingin semakin kecil. Seperti diketahui bahwa input panas ke menara pendingin bersumber dari air pendingin sebagai fluida kerja dalam siklus pendingin kondensor. Input panas menara adalah output panas siklus pendingin karena menara pendingin berfungsi sebagai pendingin fluida kerja siklus pendingin kondensor. Karena itu
0 2 4 6 8 10 12 14 16 37 38 39 40 41 42 43 44 In p u t P an as ( kW ) Suhu Kondensasi (°C) Input Panas Menara Pendingin
hasil perhitungan input panas menara pendingin sama dengan Persamaan (3) yang juga merupakan fungsi dari laju alir massa air.
Pada saat debit air kecil maka kecepatan aliran air juga kecil. Bila kecepatan aliran kecil maka bilangan Reynold juga kecil. Bila bilangan Reynold kecil maka bilangan Nusselt juga kecil. Bila bilangan Nusselt kecil maka koefisien perpindahan panas konveksi juga kecil sehingga apabila fluks panas yang diberikan oleh air panas pada radiator adalah konstan maka suhu air akan naik. Jika suhu air naik maka suhu kondensasi juga naik.
Hal serupa juga terjadi untuk output panas menara melalui hembusan udara yang ditarik oleh exhaust fan. Grafik output panas menara pendingin ditunjukkan oleh Gambar 11 berikut
Gambar 11. Hubungan output panas menara pendingin terhadap suhu
kondensasi
Dari grafik pada Gambar 11 nampak bahwa semakin besar suhu kondensasi maka output panas semakin turun. Hal ini dikarenakan output panas menara pendingin sebanding dengan laju aliran massa air seperti ditunjukkan pada Persamaan (8).
Saat debit air kecil maka kecepatan aliran air juga kecil. Bila kecepatan aliran air kecil maka bilangan Reynold juga kecil. Bila bilangan Reynold kecil
koefisien perpindahan panas konveksi juga kecil. Dengan fluks panas yang diterima oleh air dari radiator adalah konstan maka suhu air akan naik. Bila suhu air naik maka suhu kondensat akan naik juga. Karena itu saat debit air naik maka suhu kondensasi akan turun seperti ditunjukkan pada Gambar 11 di atas.
Sedangkan untuk pengaruh performa menara pendingin yang berbentuk COP akan ditunjukkan oleh grafik pada Gambar 12 berikut
Gambar 12. Hubungan COP menara pendingin terhadap suhu kondensasi
Dari Gambar 12 nampak bahwa semakin tinggi suhu kondensasi maka COP menara pendingin semakin naik. Hal ini menunjukkan adanya interaksi antara air sebagai fluida kerja siklus pendingin kondensor dengan udara sebagai fluida kerja menara pendingin.
Saat debit air kecil menjadikan kecepatan aliran air kecil, dengan kecepatan aliran air kecil maka bilangan Reynold kecil. Dengan bilangan Reynold kecil maka bilangan Nusselt kecil yang mengakibatkan koefisien perpindahan panas konveksi kecil sehingga dengan fluks panas yang sama dari air panas pada radiator mengakibatkan suhu air dalam siklus pendingin menjadi naik. Suhu air naik membuat suhu kondensasi air dalam menara pendingin naik.
0 20 40 60 80 100 37 38 39 40 41 42 43 44 O u tp u t P an as ( kW ) Suhu Kondensasi (°C)
Output Panas Menara Pendingin 0.186
0.19 0.194 0.198 0.202 0.206 37 38 39 40 41 42 43 44 C O P M e n ar a Suhu Kondensasi (°C) COP Menara Pendingin
12
Saat debit air kecil menghasilkan kecepatan aliran air kecil, dengan kecepatan aliran air kecil menghasilkan bilangan Reynold kecil. Bilangan Reynold kecil menyebabkan bilangan Nusselt kecil. Bilangan Nusselt kecil menyebabkan koefisien perpindahan panas konveksi juga kecil sehingga dengan nilai fluks yang sama dari air panas di radiator menyebabkan suhu air yang mendinginkan menjadi naik. Suhu air naik menyebabkan suhu kondensasi air dalam menara pendingin pun menjadi naik.
Dari dua analisis untuk input panas dan output panas di atas nampak bahwapada debit air kecil, suhu kondensasi tinggi baik untuk input panas maupun output panas. Dari data hasil pengukuran, input panas pada Persamaan (8) didasarkan pada titik 5 dan titik 1 dimana perbedaan suhu antara kedua titik tersebut berpengaruh pada perbedaan suhu antara titik 6 dan titik 7 yang merupakan parameter dalam perhitungan output panas pada Persamaan (8) pula. Berdasarkan data suhu tersebut dihitung besar enthalpy masing-masing titik sehingga didapat besar COPmenara pendingin sesuai Persamaan (8).
Hal yang sama juga dilakukan untuk mendapatkan nilai COP menara pendingin pada debit air besar. Dari data pengukuran didapatkan perbedaan suhu antara titik 5 dan titik 1berpengaruh terhadap perbedaan suhu antara titik 6 dan titik 7. Hal ini mengakibatkan hasil perhitungan perbedaan enthalpy antara titik-titik tersebut memiliki perbedaan yang lebih kecil dibanding saat debit air kecil yang pada akhirnya hasil perhitungan tersebut digunakan untuk mendapat nilai COP sesuai Persamaan (8).
Sama halnya dengan COP siklus pendingin, COP menara pendingin pun dipengaruhi oleh waktu kontak antara
air dengan udara di dalam ruangan menara. COP yang tinggi menunjukkan adanya keseimbangan antara panas yang masuk dengan panas yang keluar menara pendingin. Artinya nilai input panas hampir sama dengan nilai output nya sehingga menghasilkan nilai COP yang tinggi. Sebaliknya jika nilai input panas berbeda jauh dengan nilai output nya maka dapat dipastikan terdapat ketidakefisienan perpindahan panas dalam siklus pendingin tersebut karena fungsi utama siklus pendingin adalah menyerap sebanyak-banyaknya panas dari sumber panas kemudian membuang sebanyak-banyaknya panas tersebut dari fluida kerja.
Dari pembahasan mulai Gambar 6 hingga Gambar 12 dapat disimpulkan bahwa debit air kecil memiliki keunggulan dibanding debit air besar. Keunggulan-keunggulan tersebut adalah dia tidak membutuhkan daya pompa besar, tidak menimbulkan input panas besar sehingga dapat memanjangkan usia peralatan seperti pipa dan lain sebagainya, serta dapat memberikan performasi tinggi pada siklus pendingin.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih, penulis haturkan pada jurusan Teknik Mesin Unesa yang telah memberikan dana penelitian sistem kondensor ini sehingga pengetahuan tentang menara pendingin dapat lebih digali dan diperdalam.
Penutup Simpulan
Simpulan pembahasan penelitian ini adalah dengan semakin bertambahnya debit air pendingin sistem kondensor didapatkan daya pompa semakin bertambah, input panas siklus semakin bertambah, output panas siklus semakin bertambah, dan COP siklus pendingin kondensor semakin menurun. Hal yang sama juga terjadi pada analisis menara
pendingin yaitu semakin bertambah air maka input dan output panas semakin bertambah namun COP menara pendingin semakin menurun.
Saran
Saran untuk penelitian ini adalah dilakukan variasi debit udara yang mendinginkan ruangan menara pendingin dengan mengubah putaran poros exhaust fan. Hal ini dilakukan agar di dapat susunan grafik di setiap jenis variabel analisis sehingga didapatkan nilai optimum yang diharapkan.
DAFTAR PUSTAKA
Bergman, T. L., Lavine, A. S., Incropera, F. P. and Dewitt, D. P., 2011, Fundamentals of Heat and Mass Transfer 7ed, John Wiley & Sons, Inc.
Kapooria, R. K., Kumar, S. and Kasana, K. S., 2008, Technological Investigations and Efficiency Analysis of A Steam Heat Exchange Condenser: Conceptual
Design of A Hybrid Steam Condenser, Journal of Energy in Southern Africa, Vol.19, No.3, pp:35-45.
KLM Technology Group, 2011, Cooling Tower Selection and Sizing (Engineering Design Guideline), Malaysia.
Moran, M. J., Saphiro, H. N., Boettner, D. D. and Bailey, M. B., 2011, Fundamentals of Engineering Thermodynamics 7th ed., John Wiley & Sons.
Than, S. T. M., Lin, K. A. and Mon, M. S., 2008, Heat Exchanger Design, Journal of World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol.46 pp.604-611. The Australian Institute of
Refrigeration, Air Conditioning and Heating (AIRAH), 2009, Water Conservation in Cooling Towers, State Government Victoria.
Stoecker, W. F. and Jones, J. W., 1997, Refrigeration and Air Conditioning 2nd
