PERENCANAAN MENARA PENDINGIN COUNTERFLOW DAN
POMPA SIRKULASI PADA MESIN PENDINGIN KAPASITAS 400 TR
DI MAL X
La Ode M Firman, Muh Galih M.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila
Jl. Srengseng Sawah Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640 - Indonesia Telp: (021) 78880305, 7270086, Fax: (021) 7864721, 7271868 Email: [email protected], Website: www.univpancasila.ac.id
ABSTRACT
Design of cooling water system for chiller water cooled 400 Ton Refrigrant cooling capacity at mal x be in a place North Jakart, purpose to determine dimention and capacity of cooling tower, pipeline system, and requirement of the circulation pump based on the specifications of chiller and field conditions, in order to qualify the working of chiller
Be required cooling tower to release heat at 1762 kJ/s at water flow 288 m3/s and have performance cooling range 5.3 °C (9.5°F), Design the type of cooling tower use mechanical induced draft counterflow, in this case the tower use material fill of splash, so from the calculation result needed 25 m2 space area and 4.2 m hight of the tower.And required pump cpacity of 55.7 kW to circulated of water between the condensor and cooling tower.
Keyword : cooling tower, pipeline, centrifugal pump, chiller
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Disalah satu mal x dijakarta saat ini berencana untuk mengganti sebuah mesin pendingin cadangan jenis Air Cooled. Mal x sendiri dari 4 mal yaitu mal 1,2,3 dan 5 yang memiliki utilitas pendinginan terpisah. Perencanaan penggantiuan unit mesin pendingin ini akan dilakukan di mal 2 dengan mengganti tipe chiller air cooled menjadi tipe water cooled, dengan alasan kerusakan akibat umur mesin pendingin.
Saat ini mal 2 beroperasi menggunakan 2 unit mesin pendingin central tipe water cooled dengan kapasitas masing masing 780 TR (1560 TR), dengan kondisi beban operasi puncak ± 1000 TR yang berarti mesin hanya bekerja 65% - 70% dari total kapasitas yang dimiliki dengan konsumsi energi listrik 0.68 kW/kW thermal. Dengan adanya penggantian mesin pendingin pihak pengelola berencana memaksimalkan efisiensi biaya operasional listrik dengan memasang unit pendingin baru dengan kapasitas 400 TR, agar dapat meningkatkan efisiensi menjadi 0.53 kW/kW thermal. dengan skenario operasional direncanakan salah satu mesin dengan kapasitas besar (780 TR) akan menjadi mesin cadangan jadi total kapasitas menjadi 1180 TR (operasi di 85%). Disisi lain adanya integrasi pemipaan chilled water cooled antara mal 2 dan 3 yang berfungsi
sebagai penghubung, sehingga dengan adanya cadangan unit pendingin 780 TR akan dimanfaatkan juga untuk cadangan mesin pendingin di mal 3, apabila terjadi kerusakan atau masa service/overhoul pada mesin pendingin dimal 3 mesin pendingin ini akan digunakan untuk membantu kekurangan daya pendingin.
Dengan rencana seperti kondisi diatas maka diperlukan instalasi baru sistem pendinginan (cooling water system) untuk unit pendingin 400 TR untuk kemungkinan 3 mesin pendingin di mal beroperasi secara bersamaan.
1.2 Perumusan Pokok Persoalan
a. Bagaimana merencanakan menara pendingin (cooling tower) berdasarkan spesifikasi kebutuhan mesin pendingin dan kondisi lingkungan.
b. Bagaimana merencanakan jalur pemipaan antara mesin pendingin dan menara pendingin sesuai ruang yang tersedia
c. Bagaimana merencanakan pompa jenis sentrifugal yang sesuai untuk distribusi air pendingin antara
d. kondensor dan menara pendingin (cooling water system)
1.3 Tujuan
a. Menentukan spesifikasi menara pendingin (cooling tower) berdasarkan kebutuhan mesin pendingin dan kondisi lingkungan. b. Menentukan rencana pemipaan antara
mesin dan menara pendingin sesuai ruang jalur yang tersedia di mal x
c. Menentukan kebutuhan daya pompa dan dimensi impeler pompa
II. LANDASAN TEORI 2.1 Menara Pendingin
Menara pendingin induced draft counterflow berfungsi mendinginkan temperatur air dilengkapi dengan menyemprot nozzle pada bagian atas menara pendingin, sehingga air yang jatuh menuju basin berupa butiran air sehingga memudahkan dalam proses pendinginan, aliran udara mengalir dari bagian sisi bawah dan berlawanan arah dengan jatuhnya air.
Gambar 1 Menara pendingin draft mekanik counterflow (Cooker, 2010)
2.1.1 Kapasitas pendinginan cooling tower 𝑑𝑞 = 𝐿 𝑥 (4.19 𝑘𝐽
𝐾𝑔 𝐾) 𝑥(𝑡𝑖𝑛− 𝑡𝑜𝑢𝑡) (1)
Sumber: Stoecher,W.F and Jones, J.W. Refrigeration & Air Conditioning. 1989 Gambar 2 Penyerapan kalor padamedia pengisi
2.1.2 Rata-rata transfer kalor dan kesetimbangan energi.
ℎ𝑎,1− ℎ𝑎,0= 𝐿
𝐺𝑐𝑝 ∆𝑇 (2)
L/G adalah merupakan perbandingan antara debit air spesifik yang hendak didinginkan terhadap debit udara spesifik.
Rasio L/G berada di kisaran dari 0.5 hingga 2.5 (ASHRAE 2007).
Dengan metode numerik dapat mengatahui penyerapan enthalpi dari air ke udara dan didapat nilai enthalpi udara yang meninggalkan cooling tower.
2.1.3 Karakteristik Menara pendingin. 𝐾𝑎𝑉 𝐿 = ∫ 𝑑𝑇 ℎ2− ℎ1 𝑇1 𝑇2 (3) Dimana :KaV/L = Karakteristik menara pendingin
h2 – h1 = Entalpi udara jenuh keluar – masuk
menara pendingin (Btu/lb udara kering)
Sumber : Stanford, Herbert W.HVAC Water Chillers And Cooling Towers.Edisi II Gambar 2 Diagram karakteristik menara
pendingin. 2.2 Pompa Sentrifugal.
Pompa adalah suatu alat atau mesin yang digunakan untuk memindahkan cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media perpipaan dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung secara terus menerus. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada sepanjang pengaliran.
III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metode Pengambilan Data.
Penelitian ini dilakukan di Universitas Pancasila tahun 2015 dan pengambilan data yang dilakukan diantaranya,
a. Denah dan ukuran lokasi gedung yang direncanakan untuk tempat unit mesin pendingin dan menara pendingin.
b. Pengambilan data temperatur dry bulb, wet bulb, dan kelembaban udara dilapangan.
- T dry bulb = 34 °C (93.2 °F) - Kelembaban udara = 50 – 55 % - wet bulb = 27 °C (80.6 °F)
c. Data Kebutuhan debit dan temperatur cooling water system dari mesin pendingin Chiller Trane kapasi tas 400 TR.
- Kapasitas pendinginan CVGF400 TR - Debit air kondensor = 288 m3/h
- Tout kodensor= 34.7 °C (94.5 °F) - Tin kondensor = 29.4 °C (85 °F) 3.2 Diagram Alir Metode Perencanaan
Gambar 4 Diagram alir
IV. PERHITUNGAN PERENCANAAN 4.1 Perencanaan menara pendingin 4.1.1 kapasitas menara pendingin
q = Q x ρ x cp x ∆T
q = 0.08 m3/s x 994.97 Kg/m3
x 4.179 kJ/Kg K x 5.3 K q = 1762 kJ/s
4.1.2 Karakteristik Menara Pendingin 4.1.2.1 Range
Tin – Tout = 94.5 °F – 85 °F = 9.5 °F
4.1.2.2 Approach
Tout – twb = 85°F – 80.6 °F = 4.4 °F
4.1.2.3 Rasio Aliran masa udara/air (L/G) Rasio L/G berada di kisaran dari 0,5 hingga 2.5 (ASHRAE 2007).
Diambil asumsi L/G = 1.15 dari grafik prediksi (ludwig 1997)
Gambar 5 Diagram karakteristik (Ludwig, 1997). Dari perhitungan dengan nilai L/G = 1.15 dan kapasitas menara pendingin 1726 kJ/s didapat spesifiikasi menara pendingin sebagai berikut.
Tabel 1 Spesifikasi Menara Pendingin No Parameter Menara Pendingin
1 Kapasitas Pendinginan 1762 kW 2 Temperatur Air Masuk 34.7 °C 3 Temperatur Air Keluar 29.4 °C
4 Approach 2.4 °C
5 Debit air maksimal 288 m3/h
6 Luas lahan 25 m2
7 Tinggi 4.2 m
8 Jumlah Cell 3 Cell
9 Diameter Kipas 1.05 m /cell
10 Daya Kipas 2.38 kW
Identifikasi Masalah & Tujuan
Tinjauan Pustaka
Pengumpulan Data
1. Pengukuran lokasi lapangan rencana tata letak Chiller dan Cooling tower
2. Spesifikasi Chiller yang akan digunakan 3. Spesifikasi rencana material pemipaan dan
pendungkunya.
4. Pengambilan data temperatur lingkungan
Menghitung Kebutuhan Menara Pendingin
Perhitungan Head Pompa
Analisis Menentukan Jalur Pemipaan
Perhitungan Daya Pompa dan Impeler.
Selesai Ya Mulai
Tidak
11 L/G 1.15 12 Aliran Masa Air 286551
Kg/h 13 m Udara rata-rata 128770
Kg/h 14 air make up 3.48 m3/h
4.2 Perencanaan sistem pemipaan dan head total
Sistem pemipaan untuk distribusi air pendingin chiller water cooled dilengkapi dengan komponen-komponen pendukung sesuai dengan rekomendasi AHRI (Air-conditioning, Heating, and Rerigration Institute) dan jalur pemipaan yang disesuaikan dengan kondisi lapangan, berikut adalah data komponen-komponen pemipaan:
Tabel 2 Data Komponen Pemipaan Data Perencanaan Pemipaan & Pompa
Debit 288 m3/h
Diameter Pipa 250 mm
Kecepatan 1.63 m/s
Panjang Pipa Hisap 38.5 m Panjang Pipa Tekan 56.4 m
Head Statis 17.2 m
Katup (Gate Valve) 2 Buah Katup (Butterfly
Valve) 7 Buah
Elbow 90 ° 15 Buah
Tee pipa 6 Buah
Check Valve 1 Buah
Filter 1 Buah
Bahan Pipa Galvaniz Steel
Dari data diatas didapatkan kebutuhan head total untuk perencanaan kebutuhan pompa sentrifugal sebesar:
H = hf + ∆hp + hk + hz + Sf = 45 m.
4.3 Perencanaan daya pompa
Direncanakan menggunakan jenis pompa sentrifugal dengan daya penggerak motor listrik, dari data diatas dengan debit 288 m3/h dan head
total pompa 45 m, maka daya hidrolik untuk menggerakan air
kW
35.3
=
1000
Q
H
g
P
h
Dengan putaran impeler sebesar 1500 Rpm, maka nilai efisiensi pompa adalah 0.81 %. 4.3.1 Daya poros kW 5 . 43 P P p h p
Maka spesifikasi pompa yag diperlukan adalah sebagai berikut.
Tabel 3 Spesifikasi pompa sentrifugal
No Spesifikasi Pompa
1 Jenis impeler Radial flow 2 Daya hidrolis Pompa 35.3 kW 3 Daya Motor Pompa 55.7 kW
4 Head 45 m
5 NPSH diperlukan < 26 m
6 Putaran pompa 1500 Rpm
4.4 Perencanaan impeler pompa sentrifugal Untuk menghasilkan kerja yang sesuai untuk permintaan kondensor yaitu pada debit air 288 m3/h dan head sistem H = 45 m, maka untuk menentukan dimensi impeler memerlukan faktor debit (Q’) dan head impeler (Hth) aktual yang lebih tinggi, ini disebabkan adanya rugi gesekan mekanis dan hidrolis pada masukan dan keluaran pompa. Pada perhitungan diatas didapat Q’ = 303 m3/h dengan faktor peningkatan volumetris 10.5 % dan head aktual Hth = 52.03 m, Sehingga untuk memenuhi kebutuhan sistem sirkulasi air diperlukan nilai aktual kapasitas debit pompa sebesar 303 m3/h dan head aktual 52.03 m.
Sesuai dengan hasil perhitungan daya poros sebelumnya didapat nilai 43.5 kW. Sehingga diameter poros minimal pompa dihitung dengan persamaan:
3 ijin min p x 2 . 0 T d Dimana: Pd = 43580 W T = Torsi (Nm) T = Pd / ω ω = 2 𝜋 n / 60 1 1 sec 157 min) (sec/ 60 ) (min 1500 2 Nm 57 . 277 sec 157 s Nm 43580 T 1 T = 277570 Nmm
- Direncanakan penggunaan bahan poros baja khrom nikel
- Standar : JIS G 4103 (Japanese Industrial Standars)
- Material : SNC 21 (Steel Nickel Chrome) - Kekuatan tarik (σtarik) : 80 kg/mm2 = 784.53
N/mm2.
Maka untuk mengetahui tegangan geser ijin τijin menggunakan persamaan:
2 f 1 f tarik ijin
S
x
S
Sf1 : faktor keamanan kelelahan puntir (5.6 –
6.0) untuk baja campuran
Sf2 : faktor keamanan akibat pengaruh
konsentrasi tegangan disebabkan penggunaan pasak poros, (1.3 – 3.0).
2 2 ijin 32,6N/mm 0 . 3 x 0 . 6 mm N 784.53
Maka diameter poros minimal pompa
3 2 min p
mm
N
6
.
32
x
2
.
0
Nmm
277570
d
= 39.91 mmBerdasarkan pengalaman dan pompa dengan daya motor ± 75 dipasaran maka diambil diameter poros dp= 45 mm .
Dengan diameter poros 45 mm maka dalam perhitungan didapat dimensi impeler sebagai berikut.
Tabel 4 dimensi impeler pompa sentrifugal No Ukuran Ukuran Impeler
1 Diameter Poros (Dp) 45 mm
2 Diameter Hub (DN) 58.5 mm
3 Diameter Impeler sisi masuk (D1)
190 mm 4 Diameter Mulut Hisap (Ds) 190 mm 5 Diameter Luar Impeller 380 mm 6 Lebar Imperler sisi masuk
(b1)
37 mm 7 Lebar Imperler sisi keluar
(b2)
21 mm 8 Jumlah Sudu (Z) 6 sudu
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Perencanaan menara pendingin dan pompa sirkulasi pada mesin pendingin kapasitas 400 TR di mal x diperlukan kapasitas pendinginan menara pendingin sebesar 1762 kW dengan range pendinginan 5.3°C. Dengan debit air untuk mendinginkan kondensor sebesar 228 m3/h maka diperlukan kapasitas pompa sebesar 55.7 kW, dengan jenis pompa sentrifugal aliran radial yang memiliki jumlah sudu 6 buah.
5.2 Saran
Berdasarkan hasil perhitungan perencanaan penulis memberikan saran dan rekomendasi penggunaan kontrol variabel kecepatan untuk fan dan pompa sirkulasi kondensor mengingat daya pompa yang besar sehingga daya pompa dapat disesuaikan dengan kapasitas operasi mesin pendingin.
Daftar Pustaka
1. ASRHAE Handbook Fundamental, Heating, Ventilating and Air-Conditioning APPLICATIONS, 2007
2. Awwaludin M, Santosa P,
Suwardiyono,Perhitungan kebutuhan cooling tower pada rancang bangun uji sistem kendali reaktor nuklir, BATAN, 2012 3. Bambang Ariwibowo, Perancangan Ulang
Pompa Centrifugal Distribusi Kerosene dengan Kapasitas 113,5 m3/jam, di Unit
Pemasaran IV Pertamina Cabang Yogyakata, IST AKPRIND Yogyakarta, Yogyakarta. 2003,
4. Coker, A. Kayode, Ludwig’s Applied Process Design for Chemical and Petrochemical, Fourth Edition, Gulf Publishing Company, Houston, 2010
5. Dietzel, Fritz., Turbin Pompa dan Kompresor, Jakarta: Erlangga, 1992
6. Leeper, A Stephen, Wet Cooling Tower :‘Rule-Of-Thumb’Design And Simulation,US Department Of Energy, 1981 7. Ludwig, E. E., Applied Process Design for
Chemical and Petrochemical, Third Edition, Gulf Publishing Company, Houston, 1997 8. Madi Margoyungan, Perencanaan Unit
Mesin Pendingin Untuk Kebutuhan Pengkondisi Udara Pada Bangunan Kantor ADPEL, Skripsi Tugas Akhir Teknik Mesin Sumatra Universitas Utara, Medan, 2008 9. Manual Book : Trane Installation Manual
Gear-Driver Centrifugal Water-Cooled Liquid Chillers, Trane, 2004
10. Perry R, H, and Green D, Perry Chemical Engineers Hand Book, New York : Mc Graw Hill, 1985
11. Prasetyo.B,Merancang Pompa Sentrifugal Kapasitas 550 m3/jam dengan Head Suction 8 m dan Head Discharge 30 m, IST AKPRIND Yogyakarta, 2003
12. Robert L.Moot, Applied Fluid Mechanics Edisi 6, Upper Saddle River, NJ:Prentice-Hall International Inc,2006
13. Stanford, Herbert W, HVAC Water Chillers And Cooling Towers : Fundamentals, Application, and Operatio – Second Edition,New York : Mc Graw Hill,2012 14. Stoecher,W.F and Jones, J.W., Refrigeration
& Air Conditioning, New York: Graw Hill, 1989
15. Sularso,Ir MMSE, Haruo
Tohara ,Prof.Dr,Pompa & Kompresor, Jakarta: Pradnya Paramita,1987
16. Sularso, Kiyokatsu Suga, Elemen Mesin, Jakarta Pradnya Paramita, 1980
17. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 4th Edition, New York: McGraw-Hill, 2001.
