W
COUNTERFLO
DRAFT
-INDUCED
FILLER
JENIS
PENDINGIN
MENARA
KINERJA
TERHADAP
CM
70
DIAMETER
DAN
CM
22,5
TINGGI
DENGAN
PVC
)
(
PENGISI
BAHAN
MEDIA
PENGGUNAAN
PENGARUH
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
FERRY SEMBIRING NIM. 040401052
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
W
COUNTERFLO
DRAFT
-INDUCED
FILLER
JENIS
PENDINGIN
MENARA
KINERJA
TERHADAP
CM
70
DIAMETER
DAN
CM
22,5
TINGGI
DENGAN
PVC
)
(
PENGISI
BAHAN
MEDIA
PENGGUNAAN
PENGARUH
FERRY SEMBIRING NIM. 040401052
Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-526, pada Tanggal 26 November 2008
Pembanding I, Pembanding II,
Ir. A. Halim Nasution , M.Sc.
NIP.130900682 NIP. 132282136
Tulus Burhanuddin, S S.T.,M.T.
vi
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan karunianyalah penulis dapat menyelesaikan Tugas Skripsi ini dengan sebaik-baiknya. Tugas Skripsi ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang Pendidikan Sarjana (S1) Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan.
Penulis dalam Tugas Skripsi ini mengambil judul yaitu
“PENGARUH PENGGUNAAN MEDIA BAHAN PENGISI (FILLER ) PVC
DENGAN TINGGI 22,5 CM DAN DIAMETER 70 CM TERHADAP KINERJA
MENARA PENDINGIN JENIS INDUCED-DRAFT COUNTERFLOW”.
Dalam penulisan ini , dari awal sampai akhir penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Tugas Skripsi ini. Namun Penulis masih menyadari bahwa masih banyak kekurangan kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Skripsi ini. Untuk itu saran-saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Skripsi ini.
Dengan tersusunnya Tugas Skripsi ini maka penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kepada Orang tua dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil.
2. Bapak Prof.Dr.Ir. Farel H. Napitupulu, DEA selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dan menyelesaikan Tugas Skripsi ini.
3. Bapak Dr-Ing Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara .
4. Bapak Tulus Burhanuddin, S ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.
6. Bapak Joner dari PT. Seltech Utama yang telah memberikan bantuan atas Tugas Skripsi ini.
vii
7. Seluruh staf dan karyawan PT. Seltech Utama yang telah banyak membantu dalam proses penyelesaian skripsi ini.
8. Saya ucapkan terima-kasih kepada Mahasiswa Departemen Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2004.
Akhir kata, dengan kerendahan hati penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang turut membantu dalam penyelesaian Tugas Skripsi ini , semoga Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat untuk kita semua.
Medan, 07 November 2008 Penulis
FERRY SEMBIRING ( 0 4 0 4 0 1 0 5 2 )
ix
ABSTRACT
Using filler is very influences in increasing performance of cooling tower to decrease
water temperature of condenssor. The point of this research is knowing the effect of using
conventional filler to performance and efficiency of cooling tower. This research has been
done with built a induced draft coling tower, in which researched by hygrometer to found
temperature of water in and water out from cooling tower, and to found temperature and
humidity of air inlet and outlet from cooling tower, using variation amount level of filler.
Based on the research there was significant difference between these two of variations of
used filler. The cooling tower which used two level of filler had a better performance and
efficiency than coling tower which used one level of filler.
Keywords : cooling tower, filler, performance, efficiency
viii
ABSTRAK
Penggunaan bahan pengisi (filler) sangat mempengaruhi peningkatan performa kerja dari
suatu menara pendingin dalam menurunkan temperatur air kondensor. Tujuan penelitian
ini adalah untuk mengetahui pengaruh penggunaan bahan pengisi (filler) konvensional
terhadap kinerja dan effisiensi menara pendingin. Penelitian ini dilakukan dengan
membangun sebuah menara pendingin jenis aliran angin tarik (Induced Draft Cooling
Tower), yang kemudian diteliti dengan menggunakan hygrometer untuk mendapatkan suhu
air masuk dan keluar, serta temperatur dan kelembapan udara yang masuk dan keluar
dari menara pendingin, dengan memvariasiakan jumlah susunan filler. Berdasarkan hasil
penelitian terdapat perbedaaan kinerja dan effisiensi yang cukup signifikan dari 2 varaisi
penggunaan filler ini. Menara pendingin yang menggunakan 2 lapis filler memiliki kinerja
dan effisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan yang menggunakan 1 lapis filler.
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN DARI DOSEN PEMBIMBING ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN DARI DOSEN PEMBANDING ... iii
SPESIFIKASI TUGAS ... iv
LEMBARAN EVALUASI SEMINAR SKRIPSI ... v
KATA PENGANTAR ... vi
ABSTRAK ... vii
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR NOTASI ... xiv
BAB 1PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Pembatasan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 2
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 3
2.1 Pengertian Menara Pendingin ... 3
2.2 Fungsi Menara Pendingin ... 5
2.3 Prinsip Kerja Menara Pendingin ... 5
2.4 Konstruksi Menara Pendingin ... 6
2.5 Klasifikasi Menara Pendingin ... 10
2.5.1 Menara Pendingin Basah ... 10
2.5.2 Menara Pendingin Keing ... 17
2.5.3 Menara Pendingin Basah-Kering ... 20
BAB 3 METODE PENELITIAN... 22
3.1 Perencanaan Awal Menara Pendingin ... 22
3.1.1 Perencanaan Awal ... 22
3.1.2 Peneentuan Tempat Menara Pendingin ... 22
xi
3.2 Perencanaan Instalasi Menara Pendingin ... 23
3.2.1 Penentuan cooling range menara pendingin ... 24
3.2.2 Penentuan kapasitas aliran distribusi air menara pendingin ... 24
3.2.3 Penentuan laju pembuangn kalor menara pendingin ... 24
3.2.4 Penentuan daya water heater sebagai simulasi air panas dari kondensor ... 25
3.2.5 Penentuan kapasitas aliran udara (fan)... 27
3.2.6 Perancangan konstruksi menara pendingin ... 28
3.2.7 Perancangan springkler ... 29
3.2.8 Perencanaan pemipaan untuk instalasi menara pendingin ... 30
3.2.9 Perencanaan bahan pengisi (filler)... 30
3.3 Alat Yang Digunakan ... 31
3.4 Pelaksanaan Penelitian ... 33
3.5 Perumusan Hasil Penelitian...33
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 34
4.1 Hasil Penelitian ... 34
4.2 Pembahasan Hasil Penelitian ... 34
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 46
5.1 Kesimpulan ... 46
5.2 Saran ... 47
DAFTAR PUSTAKA ... 48
LAMPIRAN ... 50
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data hasil penelitian 34
Tabel 4.2 Data hasil analisa penelitian 36
Tabel 4.3 Harga Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh 43 Tabel 4.4 Berbagai variasi nilai Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh 44 Tabel 4.5 Nilai desain dari berbagai jenis bahan pengisi 45
xiii
DAFTAR GAMBAR
Deskripsi Halaman
Gambar 2.1 Range dan approach temperatur pada menara pendingin 3
Gambar 2.2 Skema menara pendingin 5
Gambar 2.3 Konstruksi menara pendingin 6
Gambar 2.4 Splash Fill 8
Gambar 2.5 Film Fill 9
Gambar 2.6 Low-clog Film Fill 9
Gambar 2.7 Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah 11 Gambar 2.8 Menara pendingin aliran angin alami aliran silang 12 Gambar 2.9 Menara pendingin aliran angin mekanik 14 Gambar 2.10 Menara pendingin induced-draft dengan aliran berlawanan 14 Gambar 2.11 Menara pendingin induced-draft dengan aliran melintang 15 Gambar 2.12 Menara pendingin forced-draft dengan aliran berlawanan 15 Gambar 2.13 Menara pendingin forced-draft dengan aliran melintang 16 Gambar 2.12 Menara pendingin aliran angin gabungan 17
(hybrid cooling tower)
Gambar 2.13 Menara pendingin kering langsung 18
Gambar 2.14 Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung 19 dengan kondensor permukaan konvensional
Gambar 2.15 Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung 20 dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase
Gambar 2.16 Menara pendingin basah-kering 21
Gambar 3.1 Penentuan tempat menara pendingin 23
Gambar 3.2 Pompa air 24
Gambar 3.3 Water Heater 27
Gambar 3.4 Blower 27
Gambar 3.5 Wadah penampung air (Water basin) 29
xiv
Gambar 3.6 Springkler air 29
Gambar 3.7 Skema instalasi menara 30
Gambar 3.8 Bahan pengisi Filler 30
Gambar 3.9 Flow meter 31
Gambar 3.10 Anemometer 31
Gambar 3.11 Thermometer 32
Gambar 3.12 Hygrometer 32
Gambar 3.13 Diagram alir penelitian 33
Gambar 4.1 Grafik hubungan debit air (Q) vs laju penyerapan kalor (kJ/s) 37 Gambar 4.2 Grafik Hubungan debit air (Q) vs kelembaban (RH) 37
Gambar 4.3 Filler yang digunakan 42
Gambar 4.4 Penampang filler 43
xv
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti Satuan
Afan Luas penampamg blower m2
a Luas bidang kontak permukaan air dengan filler m2/m3
Atower Luas tower m2
cp,air Kalor atau panas jenis air kJ/kg oC
Dtower Diameter tower m
Dtembaga Diameter pipa tembaga m
G Jumlah massa gas kg
h1 Enthalpi udara masuk kJ/kg
h2 Enthalpi udara keluar kJ/kg
k Konduktivitas Thermal W/m2.K
L Jumlah massa cair kg
l Panjang pipa tembaga m
Nu Bilangan Nusselt
Pr Bilangan Prandtl
Q Debit air ltr/min
ctr
Q• Kapasitas aliran udara menara
pendingin rancangan m3/s
cta
Q• Kapasitas aliran udara menara
pendingin acuan m3/s
q Laju Perpindahan Kalor W
Re Bilangan Reynold
RHud masuk Kelembapan relatif udara masuk %
RHud keluar Kelembapan relatif udara keluar %
RHud lingkungan Kelembapan relatif udara lingkungan %
Tair masuk Temperatur air masuk oC atau K
xvi
Tair keluar Temperatur air keluar oC atau K
Tdb Temperatur bola kering oC atau K
Tdb-in Temperatur bola kering masukering oC atau K Tdb-out Temperatur bola kering keluarering oC atau K Twb Temperatur bola basahkering oC atau K
Twb-in Temperatur bola basah masuk oC atau K
Twb-out Temperatur bola basah keluar oC atau K
Tud masuk Temperatur udara masuk oC atau K
Tud keluar Temperatur udara keluar oC atau K
Tud lingkungan Temperatur udara lingkungan oC atau K U Koefisien pindahan panas menyeluruh W/m2 .K
V Volume filler m3
•
v Volume spesifik udara m3/kg
vair Kecepatan air mengalir m/s
vtower Kecepatan aliran udara dalam menara pendingin m/s
vfan Kecepatan aliran udara blower m/s
W Kapasitas aliran udara m3/s
∆P Perubahan Tekanan Udara Pa
∆T Perubahan temperatur oC atau K
Simbol Yunani
Simbol Arti Satuan
ρ Massa jenis kg/m3
μ Viskositas dinamik air Pa.s
cta
η Efisiensi menara pendingin acuan %
ctr
η Efisiensi menara pendingin rancangan %
ix
ABSTRACT
Using filler is very influences in increasing performance of cooling tower to decrease
water temperature of condenssor. The point of this research is knowing the effect of using
conventional filler to performance and efficiency of cooling tower. This research has been
done with built a induced draft coling tower, in which researched by hygrometer to found
temperature of water in and water out from cooling tower, and to found temperature and
humidity of air inlet and outlet from cooling tower, using variation amount level of filler.
Based on the research there was significant difference between these two of variations of
used filler. The cooling tower which used two level of filler had a better performance and
efficiency than coling tower which used one level of filler.
Keywords : cooling tower, filler, performance, efficiency
viii
ABSTRAK
Penggunaan bahan pengisi (filler) sangat mempengaruhi peningkatan performa kerja dari
suatu menara pendingin dalam menurunkan temperatur air kondensor. Tujuan penelitian
ini adalah untuk mengetahui pengaruh penggunaan bahan pengisi (filler) konvensional
terhadap kinerja dan effisiensi menara pendingin. Penelitian ini dilakukan dengan
membangun sebuah menara pendingin jenis aliran angin tarik (Induced Draft Cooling
Tower), yang kemudian diteliti dengan menggunakan hygrometer untuk mendapatkan suhu
air masuk dan keluar, serta temperatur dan kelembapan udara yang masuk dan keluar
dari menara pendingin, dengan memvariasiakan jumlah susunan filler. Berdasarkan hasil
penelitian terdapat perbedaaan kinerja dan effisiensi yang cukup signifikan dari 2 varaisi
penggunaan filler ini. Menara pendingin yang menggunakan 2 lapis filler memiliki kinerja
dan effisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan yang menggunakan 1 lapis filler.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Dewasa ini penggunaan mesin pengkondisian udara semakin marak sejak pertama kali ditemukan oleh Carrier pada tahun 1902.Teknologi mesin pengkondisian udara telah berkembang pesat saat itu,dan mengalami perbaikan dari waktu ke waktu.Berbagai system pengkondisian udara telah dikembangkan mulai dari direct ekspansion sampai water chiller dan telah menjadi bagian yang tidak dapat terpisahkan dalam kehidupan manusia saat ini.
Menara pendingin merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi kalor 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 .
Sesuai dengan judul skripsi ini,maka penelitian menara pendingin yang akan dibahas adalah pengaruh penggunaan bahan pengisi (filler) konvensional berupa lembaran (sheet) PVC, terhadap kinerja menara pendingin, untuk menurunkan temperatur air kondensor.
1.2Pembatasan Masalah
Menara pendingin yang digunakan dalam penelitian ini adalah menara pendingin basah tipe aliran angin tarik (induced-draft cooling tower). Menara pendingin ini mendinginkan air kondensor yang disimulasikan oleh water heater dengan menjatuhkannya melalui filler konvensional berupa lembaran PVC terhadap aliran udara oleh blower agar menjadi air bertemperatur normal. Adapun temperatur air panas yang hendak didinginkan dibatasi sebesar 33°C sampai temperatur air normal rata-rata adalah 28°C, karena pada umumnya menara pendingin yang menggunakan bahan pengisi PVC menurunkan temperatur air berkisar 5 oC Pembatasan masalah dalam tugas sarjana ini mencakup
permasalahan pindahan kalor dan hal lain yang dipengaruhi oleh penggunaan filler yang terbuat dari 1lapis lembaran PVC.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui :
1. Pengaruh penggunaan bahan pengisi (filler) konvensional berupa lembaran (sheet) PVC, terhadap kinerja menara pendingin, untuk menurunkan temperatur air kondensor.
2. Efisiensi kerja dari menara pendingin, dalam hal ini digunakan data dari menara pendingin yang berada di Capital Building sebagai data pembanding.
3
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Menara Pendingin
Menurut El. Wakil [11], menara pendingin didefinisikan sebagai alat penukar kalor yang fluida kerjanya adalah air dan udara yang berfungsi mendinginkan air dengan kontak langsung dengan udara yang mengakibatkan sebagian kecil air menguap. Dalam kebanyakan menara pendingin yang bekerja pada sistem pendinginan udara menggunakan pompa sentrifugal untuk menggerakkan air vertikal ke atas melintasi menara. Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range dan approach seperti yang terlihat pada gambar berikut [10] :
Gambar 2.1. Range dan approach temperatur pada menara pendingin
Range adalah perbedaan suhu antara tingkat suhu air masuk menara pendingin dengan tingkat suhu air yang keluar menara pendingin atau selisih antara suhu air panas dan suhu air dingin yang dapat dirumuskan seperti berikut ini [10]:
Range CT (°C) = [suhu masuk CW (°C) – suhu keluar CW (°C)] …………(2.1)
4 Sedangkan approach adalah perbedaan antara temperatur air keluar menara pendingin dengan temperatur bola basah udara yang masuk atau selisih antara suhu air dingin dan temperatur bola basah (wet bulb) dari udara atmosfer, dapat dirumuskan seperti berikut [10]:
.
Approach CT (°C) = [suhu keluar CW (°C) – suhu wet bulb (°C)] …………(2.2)
Temperatur udara sebagaimana umumnya diukur dengan menggunakan termometer biasa yang sering dikenal sebagai temperatur bola kering (dry bulb temperature), sedangkan temperatur bola basah (wet bulb temperature) adalah temperatur yang bolanya diberi kasa basah, sehingga jika air menguap dari kasa dan bacaan suhu pada termometer menjadi lebih rendah daripada temperatur bola kering.
Pada kelembaban tinggi, penguapan akan berlangsung lamban dan temperatur bola basah (Twb) identik dengan temperatur bola kering (Tdb). Namun pada kelembaban rendah sebagian air akan menguap, jadi temperatur bola basah akan semakin jauh perbedaannya dengan temperatur bola kering.
Adapun sistem mesin pendingin yang paling banyak digunakan adalah sistem kompresi uap. Secara garis besar komponen sistem pendingin siklus kompresi uap terdiri dari:
• Kompresor, berfungsi untuk mengkompresi refrijeran dari fasa uap tekanan rendah evaporator hingga ke tekanan tinggi kondensor.
• Kondensor, berfungsi untuk mengkondensasi uap refrijeran kalor lanjut yang keluar dari kompresor.
• Katup ekspansi, berfungsi untuk mencekik (throttling) refrijeran bertekanan tinggi yang keluar dari konsensor dimana setelah melewati katup ekspansi ini tekanan refrijeran turun sehingga fasa refrijeran setelah keluar dari katup ekspansi ini adalah berupa fasa cair + uap.
• Evaporator, berfungsi untuk menguapkan refrijeran dari fasa cair + uap menjadi fasa uap
5
2.2. Fungsi Menara Pendingin
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 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.
Menara pendingin mampu menurunkan suhu air lebih rendah dibandingkan dengan peralatan-peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien energinya
2.3. Prinsip Kerja Menara Pendingin
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 seperti gambar dibawah, [7].
Gambar 2.2. Skema menara pendingin
Prinsip kerja menara pendingin dapat dilihat pada gambar diatas. Air dari bak/basin dipompa menuju heater untuk dipanaskan dan dialirkan ke menara pendingin. Air hangat yang keluar tersebut secara langsung melakukan kontak
6 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 menara pendingin juga dipasang katup make up water untuk menambah kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air (drift loses) ketika proses evaporative cooling tersebut sedang berlangsung.
2.4. Konstruksi Menara Pendingin
Adapun konstruksi menara pendingin jenis aliran angin tarik (induced draft counterflow cooling tower) adalah sebagai berikut ini.
Gambar 2.3. Konstruksi menara pendingin
7
Konstruksi menara pendingin secara garis besar terdiri atas [4]: 1. Kerangka pendukung menara (tower supporter)
Kerangka pendukung menara berfungsi untuk mendukung menara pendingin agar dapat berdiri kokoh dan tegak. Towersupporter terbuat dari baja.
2. Rumah menara pendingin (casing)
Rumah menara pendingin (casing) harus memiliki ketahanan yang baik terhadap segala cuaca dan umur pakai (life time) yang lama. Casing terbuat dari seng.
3. Pipa sprinkler
Pipa sprinkler merupakan pipa yang berfungsi untuk mensirkulasikan air secara merata pada menara pendingin, sehingga perpindahan kalor air dapat menjadi efektif dan efisien. Pipa sprinkler dilengkapi dengan lubang-lubang kecil untuk menyalurkan air.
4. Penampung air (water basin)
Water basin berfungsi sebagai pengumpul air sementara yang jatuh dari filling material sebelum disirkulasikan kembali ke kondensor. Water basin terbuat dari seng.
5. Lubang udara (inlet louver)
Inlet louver berfungsi sebagai tempat masuknya udara melalui lubang-lubang yang ada. Melalui inlet louver akan terlihat kualitas dan kuantitas air yang akan di distribusikan. Inlet louver terbuat dari seng.
6. Bahan Pengisi (filling material)
Filling material merupakan bagian dari menara pendingin yang berfungsi untuk mencampurkan air yang jatuh dengan udara yang bergerak naik. Dalam menara pendingin, air panas didistribusikan pada media pengisi dan didinginkan melalui penuguapan ketika menuruni menara dan bersentuhan dengan udara. Pertukaran panas antara udara air dipengaruhi oleh luas permukaan pertukaran panas,lamanya waktu pertukaran panas dan turbulensi dalam air mempengaruhi keseksamaan pencampuran. Media pengisi menetukan keseluruhan di atas dan
8 oleh karena itu mempengaruhi pertukaran panas. Semakin besar pertukaran panas, semakin efektif menara pendinginnya. Jenis bahan pengisi dapat dibagi menjadi: a. Bahan pengisi jenis percikan (Splash fill)
Media pengisi splash menciptakan perpindahan panas yang dibutuhkan melalui cipratan air diatas media pengisi menjadi butiran air yang kecil. Luas permukaan butiran air adalah luas permukaan perpindahan kalor dengan udara. Bahan pengisi percikan dari plastik memberikan perpindahan kalor yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu seperti yang terlihat pada gambar [11]
Gambar 2.4. Splash Fill b. Bahan pengisi jenis film(film fill)
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. Pada bahan pengisi film, air membentuk lapisan tipis pada sisi-sisi lembaran pengisi. Luas permukaan dari lembaran pengisi adalah luas perpindahan kalor dengan udara sekitar. Bahan pengisi film dapat menghasilkan penghematan listrik yang signifikan melalui kebutuhan air yang lebih sedikit dan head pompa yang lebih kecil.
9
Gambar 2.5. Film Fill
c Bahan pengisi sumbatan rendah (Low-clog film fill)
Bahan pengisi sumbatan rendah dengan ukuran flute yang lebih tinggi, saat ini dikembangkan untuk menangani air yang keruh. Jenis ini merupakan pilihan terbaik untuk air laut karena adanya penghematan daya dan kinerjanya dibandingkan tipe bahan pengisi jenis percikan konvensional.
Gambar 2.6. Low-clogFilm Fill
7. Kipas (fan)
Kipas merupakan bagian terpenting dari sebuah menara pendingin karena berfungsi untuk menarik udara dingin dan mensirkulasikan udara tersebut di dalam menara untuk mendinginkan air. Jika kipas tidak berfungsi maka kinerja
10 menara pendingin tidak akan optimal. Kipas digerakkan oleh motor listrik yang dikopel langsung dengan poros kipas.
2.5. Klasifikasi Menara Pendingin
Ada banyak jenis klasifikasi menara pendingin, namun pada umumnya pengkasifikasian dilakukan berdasarkan sirkulasi air yang terdapat di dalamnya. Menurut J.R. Singham [9] menara pendingin dapat diklasifikasikan atas tiga bagian, yaitu:
1. Menara pendingin basah (wet cooling tower) 2. Menara pendingin kering (dry cooling tower)
3. Menara pendingin basah-kering (wet-dry cooling tower)
Setiap jenis menara pendingin ini mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing.
2.5.1. Menara Pendingin Basah (Wet Cooling Tower)
Menara pendingin basah mempunyai sistem distribusi air panas yang disemprotkan secara merata ke kisi-kisi, lubang-lubang atau batang-batang horizontal pada sisi menara yang disebut isian. Udara masuk dari luar menara melalui kisi-kisi yang berbentuk celah-celah horizontal yang terpancang pada sisi menara. Celah ini biasanya mengarah miring ke bawah supaya air tidak keluar.
Oleh karena ada percampuran antara air dan udara terjadi perpindahan kalor sehingga air menjadi dingin. Air yang telah dingin itu berkumpul di kolam atau bak di dasar menara dan dari situ diteruskan ke dalam kondensor atau dibuang keluar, sehingga udara sekarang kalor dan lembab keluar dari atas menara. Menara pendingin basah dapat dibagi menjadi:
1. Menara Pendingin Basah Aliran Angin Alami (Natural-Draft Cooling
Tower)
Menara pendingin aliran angin alami pada mulanya berkembang di Eropa. Beberapa unit pertama dibangun di Belanda pada awal abad ke-19 yang terbuat dari kayu dan akhirnya dibuat dari beton bertulang seperti yang banyak digunakan sekarang ini.
11 Pada awalnya unit ini berbentuk silinder dan akhirnya berbentuk hiperbola yang umum dipakai dewasa ini. Alat ini digunakan secara luas terutama di negara Inggris dan Amerika, unit pertama dibuat tahun 1972.
Menara pendingin aliran angin alami tidak menggunakan kipas (fan). Aliran udaranya bergantung semata-mata pada tekanan dorong alami. Pada menara pendingin alami ini tidak ada bagian yang bergerak, udara mengalir ke atas akibat adanya perbedaan massa jenis antara udara atmosfer dengan udara kalor lembab di dalam menara pendingin yang bersuhu lebih tinggi daripada udara atmosfer di sekitarnya.
Karena perbedaan massa jenis ini maka timbul tekanan dorong yang mendorong udara ke atas. Biasanya menara pendingin tipe ini mempunyai tinggi yang besar dan dapat mencapai ketinggian puluhan meter. Menara pendingin aliran angin alami dapat dibagi menjadi dua jenis,yaitu:
a. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah
Gambar 2.7. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah
12 b. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang
Gambar 2.8. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang
Dari kedua jenis menara pendingin ini, menara pendingin aliran angin alami aliran silang kurang disukai karena lebih sedikit memberi tahanan terhadap aliran udara di dalam menara, sehingga kecepatan udaranya lebih tinggi dan mekanisme perpindahan kalornya kurang efisien.
Menara aliran angin alami aliran lawan arah lebih sering digunakan karena mempunyai keunggulan-keunggulan sebagai berikut:
1. Memiliki konstuksi yang kuat dan kokoh sehingga lebih tahan terhadap tekanan angin
2. Mampu beroperasi di daerah dingin maupun lembab 3. Dapat digunakan untuk instalasi skala besar.
2. Menara Pendingin Aliran Angin Mekanik ( Mechanical-Draft Cooling
Tower)
Pada menara pendingin aliran angin mekanik, udara mengalir karena adanya satu atau beberapa kipas (fan) yang digerakkan secara mekanik. Fungsi kipas di sini adalah untuk mendorong udara (forced-draft) atau menarik udara melalui menara (induced-draft) yang dipasang pada bagian bawah atau atas menara.
13 Berdasarkan fungsi kipas yang digunakan menara pendingin aliran angin mekanik dapat dibagi menjadi 2 jenis yaitu:
a. Tipe aliran angin dorong (forced-draft) b. Tipe aliran angin tarik (induced draft)
Pada tipe aliran angin dorong (forced-draft), kipas yang dipasang pada bagian bawah, mendorong udara melalui menara. Jenis ini secara teoritis lebih disukai karena kipas beroperasi dengan udara yang lebih dingin, sehingga konsumsi daya menjadi lebih kecil. Akan tetapi, berdasarkan pengalaman jenis ini memiliki masalah-masalah yang berkaitan dengan distribusi udara, kebocoran dan resirkulasi udara kalor dan lembab kembali ke menara, serta masalah pembekuan pada masukan kipas ketika musim dingin.
Mengingat banyaknya permasalahan di atas maka pada saat ini menara pendingin aliran angin mekanik yang sering digunakan pada instalasi adalah tipe aliran angin tarik (induced draft).Pada menara pendingin aliran tarik, udara masuk dari sisi menara melalui bukaan-bukaan yang cukup besar pada kecepatan rendah dan bergerak melalui bahan pengisi (filling material). Kipas dipasang pada puncak menara dan membuang udara kalor dan lembab ke atmosfer.
Aliran udara masuk menara pada dasarnya horizontal, tetapi aliran di dalam bahan pengisi (filling material) ada yang horizontal seperti yang terdapat pada menara pendingin aliran silang (cross flow) dan ada pula yang vertikal seperti menara pendingin aliran lawan arah (counter flow). Aliran lawan arah lebih sering dipakai dan dipilih karena efisiensi termalnya lebih baik daripada aliran silang.
Keunggulan menara pendingin aliran angin mekanik adalah:
1. Terjaminnya jumlah aliran udara dalam jumlah yang diperlukan pada segala kondisi beban dan cuaca.
2. Biaya investasi dan konstruksinya lebih rendah 3 Ukuran dimensinya lebih kecil.
Kelemahan menara pendingin aliran angin mekanik adalah: 1. Kebutuhan daya yang besar
2. Biaya operasi dan pemeliharaan yang besar 3. Bunyinya lebih ribut.
14
Gambar 2.9. Menara pendingin aliran angin mekanik
Gambar 2.10. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan.
15
Gambar 2.11. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang.
Gambar 2.12. Menara pendingin forced draft dengan aliran melintang [1].
[image:30.595.127.500.410.611.2]16
Gambar 2.13. Menara pendingin forced draft dengan aliran melintang.
3. Menara Pendingin Aliran Angin Gabungan (Combined Draft Cooling
Tower)
Menara pendingin aliran angin alami biasanya mempunyai ukuran yang besar dan membutuhkan lahan yang luas, tetapi dengan konsumsi daya dan biaya operasi yang kecil. Sebaliknya menara pendingin aliran angin mekanik ukurannya lebih kecil, namun membutuhkan daya yang besar. Oleh sebab itu, kedua hal tersebut digabungkan di dalam menara pendingin aliran angin gabungan (combined draft cooling tower). Menara ini disebut juga menara pendingin hiperbola berkipas (fan assisted hyperbolic tower) atau hibrida (hybrid tower).
Menara hibrida terdiri dari cangkang beton, tetapi ukurannya lebih kecil dimana diameternya sekitar dua pertiga diameter menara aliran angin mekanik. Di samping itu, terdapat sejumlah kipas listrik yang berfungsi untuk mendorong angin. Menara ini dapat dioperasikan pada musim dingin tanpa menggunakan kipas, sehingga lebih hemat listrik.
17
Gambar 2.12. Menara pendingin aliran angin gabungan (hybrid cooling tower)
2.5.2. Menara Pendingin Kering (Dry Cooling Tower)
Menara pendingin kering (dry cooling tower) adalah menara pendingin yang air sirkulasinya diairkan di dalam tabung-tabung bersirip yang dialiri udara. Semua kalor yang dikeluarkan dari air sirkulasi diubah. Menara pendingin kering dirancang untuk dioperasikan dalam ruang tertutup.
Menara pendingin jenis ini banyak mendapat perhatian akhir-akhir ini karena keunggulannya yaitu:
1. Tidak memerlukan pembersihan berkala sesering menara pendingin basah. 2. Tidak memerlukan zat kimia aditif yang banyak
3. Memenuhi syarat peraturan pengelolaan lingkungan mengenai pencemaran termal dan pencemaran udara pada lingkungan.
Meskipun begitu, menara pendingin kering mempunyai beberapa kelemahan, yaitu efisiensinya lebih rendah, sehingga mempengaruhi efisiensi siklus keseluruhan.
Ada dua jenis menara pendingin kering, yaitu:
1. Menara pendingin kering langsung (direct dry-cooling tower)
Menara pendingin kering jenis langsung merupakan gabungan antara kondensor dan menara pendingin. Uap buangan turbin dimsukkan ke kotak uap melalui talang-talang besar supaya jatuh pada tekanan yang tidak terlalu besar dan
18 dapat terkondensasi pada waktu mengalir ke bawah melalui sejumlah besar tabung atau kumparan bersirip. Tabung ini didinginkan dengan udara atmosfer yang mengalir di dalam atmosfer. Kondensat mengalir karena gaya gravitasi ke penampung kondensat dan dipompakan lagi ke sistam air umpan instalasi dengan bantuan pompa kondensat. Terdapat pula sistem untuk menyingkirkan gas dan mencegah pembekuan pada cuaca dingin.
Beberapa kelemahan dari menara pendingin jenis ini adalah: 1. Hanya dapat beroperasi dengan volume besar.
[image:33.595.202.423.292.478.2]2. Memerlukan talang-talang ukuran besar.
Gambar 2.13. Menara pendingin kering langsung [3]
2. Menara pendingin kering tak langsung ( indirect dry-cooling tower)
Menara pendingin jenis tak langsung dapat dibagi menjadi dua jenis lagi, yaitu:
a. Menara pendingin kering tak langsung dengan menggunakan kondensor permukaan kovensional.
Air sirkulasi yang keluar dari kondensor masuk melalui tabung bersirip dan didinginkan oleh udara atmosfer di dalam menara. Menara ini boleh menggunakan jujut jenis alami seperti pada gambar. Operasi kondensor pada jenis ini harus dilakukan pada tekanan 0,17 sampai 0,27 kPa. Pada jenis ini, digunakan kondensor terbuka atau kondensor jet. Kondensat jatuh ke dasar kondensor dan
19 dari situ dipompakan oleh pompa resirkulasi ke kumparan bersirip di menara, yang kemudian didinginkan dan dikembalikan ke kondensor.
Gambar 2.14. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan kondensor permukaan konvensional
b. Menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase.
Menara pendingin ini tidak menggunakan air pendingin, tetapi menggunakan suatu bahan pendingin, seperti dengan menggunakan amoniak sebagai bahan perpindahan kalor antara uap dan air, sehingga perpindahan kalor dapat terjadi denagan perubahan fasa, yaitu pendidihan di dalam tabung kondensor dan kondensasi di dalam tabung menara. Amoniak cair yang hampir jenuh masuk kondensor permukaan dan diuapkan menjadi uap jenuh dan uap jenuh tersebut dipompakan lagi ke kondensor. Pendidihan dan kondensasi ini mempunyai koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada sisi tabung, sehingga menghasilakn beda suhu yang lebih rendah antara uap dan amoniak dan antara amoniak dan udara.
20
Gambar 2.15. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase
2.5.3. Menara Pendingin Basah-Kering (Wet-Dry Cooling Tower)
Menara pendingin basah-kering (wet-dry cooling tower) merupakan gabungan antara menara pendingin basah dan menara pendingin kering. Menara pendingin ini mepunyai dua jalur udara paralel dan dua jalur udara seri.
Bagian atas menara di bawah kipas adalah bagian kering yang berisi tabung-tabung bersirip. Bagian bawah adalah ruang yang lebar yang merupakan bagian yang basah yang terdiri dari bahan pengisi (filling material). Air sirkulasi yang panas masuk melalui kepala yang terletak di tengah. Air mula-mula mengalir naik-turun melalui tabung bersirip di bagian kering, kemudian meninggalkan bagian kering dan jatuh ke isian di bagian basah menuju bak penampung air dingin. Sedangkan udara ditarik dalam dua arus melalui bagian kering dan basah. Kedua arus menyatu dan bercampur di dalam menara sebelum keluar.
21 Oleh karena arus pertama dipanaskan secara kering dan keluar dalam keadaan yang kering (kelembaban relatif rendah) daripada udara sekitar, sedangkan arus kedua biasanya jenuh.
Menara pendingin basah-kering mempunyai keunggulan:
1. Udara keluar tidak jenuh sehingga mempunyai kepulan yang lebih sedikit 2. Karena airnya mengalami pendinginan awal di bagian kering, penyusutan
karena penguapan jauh berkurang, demikian juga dengan kebutuhan air tambahan.
[image:36.595.207.417.291.496.2]Menara pendingin basah-kering dapat dilihat pada gambar berikut [3].
Gambar 2.16. Menara pendingin basah-kering
22
BAB 3
METODE PENELITAN
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Pindahan panas , Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan dengan menggunakan instalasi menara pendingin yang dibangun sendiri .
3.1. PERENCANAAN AWAL MENARA PENDINGIN
3.1.1. Perencanaan Awal
Perencanaan penelitian ini diawali dengan pemilihan jenis menara pendingin, yaitu menara pendingin basah dengan tipe aliran angin mekanik. Jenis menara pendingin ini umum digunakan karena memiliki beberapa keunggulan, yaitu:
1. Pasokan aliran udara yang terjamin dalam jumlah yang diperlukan 2. Pengoperasian yang dimungkinkan untuk segala jenis beban dan cuaca 3. Profil fisik yang sederhana dan kemudahan penempatan instalasi.
3.1.2. Penentuan tempat Menara Pendingin
Menara pendingin direncanakan untuk ditempatkan pada lantai atap gedung Departemen Teknik Mesin USU, Medan. Hal ini dilakukan dengan pertimbangan bahwa uap panas yang keluar dari menara pendingin akan dapat merusak dinding bangunan gedung apabila penempatannya didalam gedung tersebut. Selain itu, uap panas tersebut dikhawatirkan akan dapat mengganggu kenyamanan penghuni gedung apabila penempatannya dekat dengan lokasi aktivitas penghuni gedung.
23
Gambar 3.1. Penempatan Menara Pendingin
3.2. PERENCANAAN INSTALASI MENARA PENDINGIN
Adapun urutan dari perencanaan menara pendingin ini adalah sebagai berikut.
1. Penentuan cooling range menara pendingin.
2. Penentuan kapasitas aliran distribusi air menara pendingin (kapasitas pompa).
3. Penentuan laju pembuangan kalor menara pendingin.
4. Penentuan daya water heater sebagai penyedia air hangat dari kondensor. 5. Penentuan kapasitas aliran udara fan.
6. Perancangan konstruksi menara pendingin. 7. Perancangan sprinkler.
8. Perencanaan pemipaan untuk instalasi menara pendingin. 9. Perencanaan bahan pengisi (fill).
24
3.2.1 Penentuan cooling range menara pendingin
Menara pendingin ini direncanakan untuk dapat mendinginkan air panas dari kondensor (hasil pemanasan dari water heater) dengan temperatur berkisar 33°C menjadi 28ºC, dengan suhu lingkungan (Twb lingkungan) yang dirancang sebesar 25,5
ºC Sehingga, dari persamaan 2.1 dan 2.2 maka diperoleh cooling range sebesar 5°C dan approach sebesar 2,5 ºC
3.2.2 Penentuan kapasitas aliran distribusi air menara pendingin
Distribusi air untuk instalasi menara pendingin ini dipompa oleh sebuah pompa sentifugal dengan spesifikasi sebagai berikut.
Merk : DAB Aqua 109C Daya Motor : 90 W
[image:39.595.133.459.253.583.2]Voltase/Hz : 220 / 50 Putaran : 2800 rpm Debit air : 3,2 ltr/min
Gambar 3.2. Pompa Air
3.2.3 Penentuan laju pembuangan kalor menara pendingin
Menara pendingin ini direncanakan untuk dioperasikan pada kondisi udara sebagai berikut.
• udara masuk : Tdb-in = 33°C Twb-in = 28°C RHin = 70 %
25 v = 0,90 m3/kg
• udara keluar
(
2 1)
...
...
...
...(
3
.
1
)
.
h
h
v
V
Q
=
×
−
: Tdb-out = 28°C Twb-out = 28°C RHout = 95 %
Dengan laju aliran volum udara sebesar 1,081 m3/s, maka laju pembuangan kalor menara pendingin tersebut dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut [14].
Sehingga
(
)
s kJ h kJ kg kJ kg m m Q / 077 , 14 726 , 677 . 50 96 , 79 46 , 91 883 , 0 min 8528 , 64 3 3 = = − × =Maka laju pembuangan kalor menara pendingin yang dirancang sebesar 14, 077 kJ/s
.3.2.4 Penentuan daya water heater sebagai simulasi air panas kondensor
Sesuai dengan harga cooling range maksimum yang telah ditentukan sebelumnya untuk menara pendingin ini yaitu sebesar 5°C, maka direncanakan water heater dengan menggunakan koil tembaga. Adapun perhitungannya dengan menggunakan rumus pindahan panas [8] adalah sebagai berikut:
389 , 5 Pr / 10 948 , 7 / 6179 , 0 / 1783 , 4 / 66 , 994 : berikut sebagai air sifat sifat diketahui , 5 , 303 pada 5 , 303 2 306 301 2 / 378 , 0 306 273 33 33 0134 , 0 301 273 28 28 4 3 = × = = = = − = = + = + = = = + = = = = + = =
− kg ms
C m W k C kg kJ c m kg K T K T T T maka s m v K C T m D K C T o o p out air in air air o out air tembaga o in air µ ρ
26 89 , 6338 / 10 948 , 7 0134 , 0 / 378 , 0 / 66 , 994 ) 2 . 3 ....( ... ... ... ... ... ... ... ... Re : maka 4 3 = × × × = =
− kg ms
m s m m kg vD µ ρ
K
m
W
m
C
m
W
D
Nu
k
h
Nu
Nu
Nu
o 2 4 , 0 8 , 0 4 , 0 8 , 0/
5
,
2289
0134
,
0
652
,
49
/
6179
,
0
652
,
49
389
,
5
89
,
6338
023
,
0
Pr
Re
023
,
0
:
Turbulen
aliran
untuk
Turbulen.
adalah
pipa
dalam
aliran
maka
diatas
Reynold
bilangan
dari
=
×
=
×
=
=
×
×
=
×
×
=
(
)
(
)
m 0,0134 (D) diameter dengan m 1,2 ) l ( dipakai yang tembaga pipa panjang maka 196 , 1 5 , 10 0134 , 0 / 5 , 2289 / 3386 , 1109 2 33 28 41 0134 , 0 / 5 , 2289 2 / 3386 , 1109 sehingga / 3386 , 1109 ] 28 33 / 1783 , 4 / 0531 , 0 2 2 2 , = = = × × × = − + × × × × = + − × × × × = = − × × = − × × = + − × × × × = m C m K m W s J l C l m K m W T T T l D h s J s J q C C C kg kJ s kg q T T c m q dan T T T l D h q o o keluar air masuk air panas air o o o masuk air keluar air air p air keluar air masuk air panas air π π π π Adapun bentuk penampang dari water heater yang dirancang dapat dilihat pada gambar berikut ini.
27
Gambar 3.3 Water Heater
3.2.5 Penentuan kapasitas aliran udara fan
Adapun fan yang digunakan untuk penelitian menara pendingin ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut.
Merk : CKE
Daya Motor : 400 W Voltase/Cycles : 220 / 50
Putaran : 1400 rpm
Diameter fan : 40 cm Kapasitas udara : 2290 cfm
Gambar 3.4 Blower
[image:42.595.138.438.325.670.2]28
3.2.6 Perancangan konstruksi menara pendingin
Konstruksi menara pendingin ini dirancang menurut konstruksi menara pendingin aliran angin mekanik dengan komponen-komponen sebagai berikut.
• Rangka
Diameter menara berhubungan erat dengan laju aliran udara dalam menara, sehingga diameter tersebut ditentukan dengan perhitungan laju aliran volum udara dalam menara. Laju aliran udara didalam menara ditentukan sebesar 2,5 m/s.
cm
m
D
s
m
m
D
s
m
s
m
D
v
A
v
A
Q
Q
tower tower tower fan fan tower tower fan tower80
78
,
0
5
,
2
4
08088
,
1
/
08088
,
1
)
5
,
2
.(
4
.
.
)
3
.
3
...(
...
...
3 3 2 * *≈
=
×
×
=
=
×
=
=
π
π
Tinggi menara pendingin ditentukan dengan mempertimbangkan dimensi berbagai komponen yang lain, seperti sprinkler, instalasi pemipaan, bahan pengisi (fill), dan lain-lain. Rangka pendukung menara ini harus dapat mendukung menara pendingin agar dapat berdiri kokoh dan tegak, oleh karena itu, bahan untuk rangka menara dipilih jenis baja tempa dengan profil lingkaran berdiameter 0,5 cm.
• Wadah Air Dingin (Water Basin)
Penentuan ukuran wadah air dingin didasarkan pada jumlah air yang bersirkulasi pada menara pendingin. Untuk volume dari wadah air dingin disesuaikan dengan ukuran debit air yang mengalir serta ukuran diameter casing, sehingga wadah air dingin bisa dipasang pada instalasi menara pendingin.
29
Gambar 3.5 Wadah Penampung air (Water basin)
•Casing
Material casing yang dipilih adalah pelat seng dengan ketebalan 0,25mm . Alasan pemilihan pelat seng sebagai material casing adalah harga seng yang relatif lebih murah dibandingkan harga material lainnya dan tahan terhadap getaran.
3.2.7 Perancangan sprinkler
Sprinkler dirancang beserta sambungannya dengan mempertimbangkan aspek fungsional dan ekonomis. Komponen-komponen sprinkler yang dirancang dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 3.6 Sprinkler air
[image:44.595.189.435.466.637.2]30
3.2.8 Perencanaan pemipaan untuk instalasi menara pendingin
[image:45.595.116.504.145.422.2]Skema instalasi menara pendingin tersebut dapat dilihat pada gambar berikut [1]:
Gambar 3.7. Skema Instalasi Menara Pendingin
3.2.9 Perencanaan bahan pengisi (fill)
Jenis bahan pengisi yang digunakan untuk penelitian ini adalah jenis yang konvensional, yaitu berupa lembaran PVC dengan tinggi 22,5 cm dan diameter 70 cm.
Gambar 3.8 Bahan pengisi ( Filler ) PVC
[image:45.595.177.426.560.733.2]31
ALAT UKUR YANG DIGUNAKAN
Alat ukur yang digunakan pada penelitian ini yaitu sebagai berikut : 1. Flow meter
Flow meter digunakan untuk mengukur debit air yang bersirkulasi di dalam menara pendingin. Flow meter ini dipasang pada instalasi pipa air pendingin sebelum air masuk ke pompa untuk selanjutnya dipompakan ke heater. Adapun bentuk flow meter yang digunakan seperti yang terlihat pada gambar berikut :
Gambar 3.9 flow meter
2. Anemometer
Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan angin yang terjadi pada menara pendingin akibat isapan blower serta kecepatan di lingkungan sekitar menara pendigin. Adapun anemometer yang digunakan dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 3.10 Anemometer
[image:46.595.193.428.268.379.2]32 3. Thermometer
Thermometer digunakan untuk mengukur temperatur air yang mauk dan keluar dari menara pendingin. Adapun thermometer yang digunakan dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 3.11 Thermometer
4. Hygrometer
Hygrometer digunakan untuk mengukur kelembaban, temperatur serta tekanan udara yang masuk dan keluar menara pendingin serta temperatur dan kelembaban udara di lingkungan sekitar menara pendingin. Hygrometer yang digunakan adalah hygrometer digital, seperti gambar berikut ini.
Gambar 3.12 Hygrometer
[image:47.595.258.364.168.374.2] [image:47.595.178.482.569.700.2]33
3.4 PELAKSANAAN PENELITIAN
Diagram alir penelitian ditunjukan pada gambar berikut.
Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian
3.3 PERUMUSAN HASIL PENELITIAN
Data yang diperoleh dari penelitian ditabulasikan untuk kemudian diplot dalam bentuk grafik dan juga diterapkan ke persamaan-persamaan seperti yang tercantum pada tinjauan pustaka. Hasil pengolahan data tersebut kembali ditabulasikan dan dibahas lebih lanjut pada pembahasan hasil penelitian.
Perakitan Alat dan Instalasinya
Penelitian dan Pengambilan Data
Perencanaan Awal
Analisa data
Penyusunan Skripsi
34
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
Adapun penelitian ini dilaksanakan pada kondisi lingkungan : RH in = 48,5 % - 75 %
Tdb,in = 31,1 C – 33,5 C Twb,in = 25,0 C – 28,0 C
[image:49.595.110.518.281.428.2]Berdasarkan hasil penelitian maka diperoleh data sebagai berikut: Tabel 4.1 Data hasil penelitian (T air masuk = 33 ºC, T air keluar = 28 ºC)
Q
ΔP
(mmAqua) T linkungan RH linkungan
T udara
keluar
RH udara
keluar
0,49 l/min 2 32,3 ºC 65,5% 29,3 ºC 83,6%
0,78 l/min 2 33,5 ºC 61,1% 29,7 ºC 84,4%
0,98 l/min 2 31,3ºC 63,5% 28,4ºC 87,2%
Sebagai data pembanding maka dilakukan pengujian kinerja dari cooling tower yang ada di Capital Building. Dari hasil pengujian maka diperoleh data sebagai berikut :
Laju aliran udara = 1150 m3/min = 40611.867 cfm ; Tekanan = 101,312 kPa
Tair imasuk = 33 ºC T linkungan =31,3 ºC
Tair keluar = 28 ºC RH linkungan = 71,6%,
Q = 3273 ltr/min Tudara keluar =29,6 ºC ΔP = 13 Pa RHudara keluar = 89.8%
4.2 Pembahasan Hasil Penelitian
Berdasarkan data yang diperoleh maka dapat dihitung laju perpindahan kalor yang dibuang air ke udara dengan menggunakan persamaan (3.1). Perhitungan laju penyerapan kalor dapat dilihat sebagai berikut :
35 (kJ/kg) keluar udara Entalpi h (kJ/kg) masuk udara Entalpi h v Q ) kg m ( udara spesifik volume ) min m ( udara Debit W : Keterangan ...(4.1) ... ... ... ... ... ) h W(h q 2 1 3 3 1 2 = = = = − = • •
a. Menguji kinerja menara pendingin
Untuk menguji kinerja menara pendingin dengan menggunakan 1 lapis filler, maka data hasil penelitian di hitung dengan menggunakan bantuan software Psychometirc Chart untuk mendapatkan harga entalpi dari kondisi udara masuk dan keluar menara pendingin sehingga pada setiap kondisi diperoleh hasil sebagai berikut : .
(
)
kJ/s 1,08 kJ/h 3.890,74 kJ/kg 84,06 84,95 kg m 0,89 min m 96 64.8455786 hour min 60 q kJ/kg 84,95 h ; % 83,6 RH ; C 29,3 T kJ/kg 84,06 h ; % 65,5 RH ; C 32,3 T ltr/min 0,49 Q a. 3 3 1 2 2 2 1 1 1 = = − × = = = = = = = = (
)
kJ/s 2,5 kJ/h 8.991,92 kJ/kg 85,20 87,28 kg m 0,90 min m 96 64.8455786 hour min 60 q kJ/kg 87,28 h ; % 84,4 RH ; C 29,7 T kJ/kg 85,20 h ; % 61.1 RH ; C 33,5 T ltr/min 0,78 Q b. 3 3 2 2 2 2 1 1 1 = = − × = = = = = = = = 36
(
)
kJ/s 5,94 kJ/h 21.377 kJ/kg 78,55 83,44 kg m 0,89 min m 96 64.8455786 hour min 60 q 83,44kJ/kg h ; % 87,2 RH ; C 28,4 T kJ/kg 78,55 h ; % 63,5 RH ; C 31,3 T ltr/min 0,98 Q c. 3 3 3 2 2 2 1 1 1 = = − × = = = = = = = = Dari hasil perhitungan di atas, besarnya laju pembuangan kalor ke udara yang terjadi pada menara pendingin adalah sebagai berikut :
Tabel 4.2 Data Hasil Analisa Penelitian
Suhu (C) Q (ltr/min) q (kj/s) RH ud,out (%)
33 - 28 0,49 1,08 83,6
0,78 2,5 84,4
0,98 5,94 87,2
[image:51.595.137.445.93.223.2] [image:51.595.170.455.329.418.2]Hasil perhitungan yang ditabelkan di atas kemudian di buat ke dalam bentuk grafik hubungan Kalor (q) dan Debit (Q), serta Kelembaban (RH) dan Debit (Q), dapat dilihat sebagai berikut
37
Pengaruh Debit Air(Q) terhadap Laju perpindahan Kalor (q)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 1 2 3 4 5 6 7
q (kJ/s)
Q
(
lt
r/
m
in
)
[image:52.595.142.521.104.352.2]suhu 33C-28C
Gambar 4.1 Grafik Hubungan Debit air (Q) vs Laju perpindahan kalor (kJ/s)
Pengaruh Debit Air(Q) terhadap Kelembapan (RH)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
83 83.5 84 84.5 85 85.5 86 86.5 87 87.5
RH(%)
Q
(l
tr
/m
in
)
Suhu=33C-28C
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Debit air (Q) vs Kelembapan (RH)
Sedangkan laju penyerapan kalor yang terjadi pada menara pendingin acuan yang berada di gedung Capital Building yaitu sebagai berikut .
[image:52.595.121.527.430.662.2]38
(
)
kJ/s 3,62 kJ/jam 13.027,404 q kJ/kg 85,61 88,59 kg m 0,89 min m 1150 jam min 60 q kJ/kg 88,59 h ; % 86.9 RH ; C 29,6 T kJ/kg 85,61 h ; % 71,6 RH ; C 31,5 T ltr/min 3273 Q 3 3 2 2 2 1 1 1 = = − × = = = = = = = = • b. Kapasitas pendinginan
Perbandingan laju aliran massa menara pendingin yang dibangun dengan menara pendingin acuan
3 m in / 0 0 0 9 8 ,
0
m in / 3 .2 7 3
3 3 = = • • m m Q Q c tr c ta 3339,39
Kapasitas penyerapan kalor (q) maksimum dari cooling tower yang dibangun dapat dihitung dengan rumus berikut [12] :
(
)
kJ/kg.K 4,1783 c ; C 30,5 T C 28 T C 33 T T T c m q : q air p, o air o keluar air, o masuk air, keluar air, masuk air, pair air mika Thermodina = = = = − × × = Watt 10 1,11 q K 5 kJ/kg.K 4,1783 kg/s 0,0531 q kg/s 0,0531 m 3 × = × × = = •39 kJ/h , . . kJ/s , . q , kJ/s , q kJ/s , q K kJ/kg.K , kg/s , q : K K K ΔT keluar air T masuk air T ΔT kJ/kg.K , p c kg/s , m ) . ....( ... ... ... ... ... ... kJ/s ΔT p c m q 84 800 345 13 1669 707 3 39 3339 11 1 : berikut sebagai n pendingina kapasitas diperoleh dapat maka Building Capital gedung di berada yang acuan pendingin menara terhadap dirancang yang pendingin menara pada mengalir yang air debit kan membanding Dengan 11 1 5 80143 4 0531 0 adalah diatas rumus n berdasarka diperoleh yang maksimum kalor kapasitas nilai Maka 5 301 306 1783 4 0531 0 2 4 = = × = = × × = = − = − = = = • × × • =
qctr = 13.345.800,84 kJ/h
Dengan menggunakan persamaan 4.2 maka didapat kapasitas penyerapan kalor (q) maksimum dari cooling tower acuan (cooling load)
qcta = 15.990.914,52kJ/h
c. Menghitung approach dan effisiensi menara pendingin
Approach yang dicapai pada hasil penelitian dengan menggunakan 1 lapis filler berdasarkan persamaan (2.1), adalah :
C C C C e Temperatur Approach o o o 05 , 2 95 , 25 28 ) ( = − =
Maka Approach yang dihasilkan adalah sebesar 2,05 oC. Besarnya effisiensi yang diperoleh yaitu :
40
(
)
(
)
(
)
(
)
% 92 , 70 95 , 25 3 3 28 3 3 100% ) 3 . 4 ( ... T 100% : yaitu [2] Pendingin Menara Effisiensi in air = −− × = − − × = ctr ctr bulb welb in air out air C C C C T T T η η η Sehingga effisiensi dari menara pendingin yang dapat di capai dengan menggunakan 1 lapis filler adalah sebesar ηctr =70,92%.
Sedangkan untuk menara pendingin acuan yang berada di Capital Buiding effisiensinyan adalah sebagai berikut :
(
)
(
)
(
)
(
)
% 33 , 83 27 3 3 28 3 3 100% T 100% air,in= −− × = − − × = cta cta bulb welb in air out air C C C C T T T η η η
d. Kehilangan penguapan (drift loses)
Kehilangan penguapan adalah jumlah air yang diuapkan untuk tugas pendinginan. Secara teoritis, kehilangan penguapan mencapai 1,8 m3 untuk setiap 10.000.000 kkal kalor yang dibuang. Menurut Perry [13] kehilangan penguapan dapat dihitung dengan rumus berikut :
Untuk 1 lapis filler dengan Tiair masuk = 33 oC dan Tair keluar = 28 oC
(
)
(
)
(
)
(
)
s m sebesar atau jam m penguapan Kehilangan C jam m penguapan Kehilangan maka pendingin menara keluar dan masuk air antara suhu perbedaan T T T T jam m air sirkulasi laju jam m penguapan Kehilangan o / 619 , 1 / 10 49 , 4 28 33 / 0.0588 8 , 1 00085 , 0 : 2 1 ) 4 . 4 ...( ... ... ... ... 2 1 / 8 , 1 00085 , 0 ) / ( 3 3 4 3 3 3 − × = − × × × = = − − × × × =Maka kehilangan penguapan yang terjadi pada 1 lapis filler adalah sebesar 1,619 m3/s.
41
e. Perbandingan Cair –Gas (L/G)
Melalui prinsip termodinamika diketahui bahwa panas yang dibuang dari air harus sama dengan panas yang diserap oleh udara sekitarnya. Berdasarkan prinsip tersebut maka besarnya perbandingan jumlah cair terhadap gas dalam menara pendingin yang dibangun dapat dihitung dengan rumus berikut [10] :
(
) (
)
(
2 1) (
1 2)
1 2 2 1 / / ) 5 . 4 ....( ... ... ... ... ... T T h h G L h h G T T L − − = − = − ) / ( ) / ( ) ( ) ( ) / ( / kg kJ pendingin menara keluar air entalpi h kg kJ pendingin menara masuk air entalpi h C pendingin menara masuk air suhu T C pendingin menara masuk air suhu T C kg kg gas cair massa aliran an perbanding G L in in o out o in o = = = = − =
Untuk 1 lapis filler dengan T iair masuk = 33 oC dan T iair keluar = 28 oC
kg kJ h kg kJ h C T C T out in o o / 44 , 83 / 55 , 78 28 33 keluar air masuk air = = = =
(
) (
)
C kg kg G L G L maka o / 978 , 0 / 28 33 / 55 , 78 44 , 83 / : = − − =Sehingga besar perbandingan cair-gas yang terjadi dalam menara pendingin untuk 1 lapis filler adalah sebesar 0,978 kg/kg oC.
f. Pindahan panas pada filler
Untuk mengetahui pindahan panas pada satu lapis filler maka dapat di gunakan rumus pindahan panas kontak-langsung. Namun terlebih dahulu dihitung kalor yang dibuang air ke udara dari prinsip thermodinamika, dengan menggunakan persamaan (4.2) maka diperoleh nilai kalor (
*
q) sebagai berikut :
42
(
)
Watt q K K kg kJ s kg q s kg m K kg kJ c C T C T C T T T c m q q air p o air o keluar air o masuk air keluar air masuk air pair air inamika Ther 3 , , , , , mod 10 11 , 1 5 . / 1783 , 4 / 0531 , 0 / 0531 , 0 . / 1783 , 4 ; 5 , 30 28 33 : × = × × = = = = = = − × × = •Jadi besarnya kalor (q) yang dibuang air ke udara dari perhitungan thermodinamika adalah sebesar : 1,11 × 103Watt
Untuk menghitung pindahan panas secara kontak langsung dapat dihitung dengan menggunakan rumus dibawah ini [2] :
filler volume V air suhu Range T filler air kontak permukaan bidang luas a filler pada panas pindahan koefisien U TV Ua q = = ∆ − = = ∆
= ...(4.6)
[image:57.595.189.424.95.301.2]
Gambar 4.3 Filler yang digunakan
70 cm 22,5 cm
43
[image:58.595.183.441.83.269.2]
Keterangan : H = jarak antar gulungan sebesar 1cm hb = tinggi puncak sebesar 0,5 cm vb = jarak antar puncak sebesar 1,5 cm tebal (t) = 0,5 mm
Gambar 4.2 Penampang belahan filler yang digunakan pada menara pendingin Besarnya koefisien pindahan panas menyeluruh (U) untuk kasus kontak langsung (direct-contact) pada menara pendingin, berdasarkan [13], maka diperoleh nilai koefisien pindahan panas menyeluruh (U) seperti pada tabel 4.5 di bawah ini
Tabel 4.5 harga koefisien pindahan panas menyeluruh (U) (Engineering School San Sebastian Technological Campus)
Berdasarkan tabel diatas maka koefisien pindahan panas menyeluruh untuk kasus pada menara pendingin ini, yaitu antara fluida udara – air (gases – waater) yang besarnya antara 10 W /m2.K – 250 W /m2.K. besarnya luas bidang kontak pindahan panas yang terjadi dengan kondisi Kalor (Q), beda suhu (ΔT), volume
[image:58.595.171.462.434.631.2]44 (V), yang konstan dan koefisen pindahan panas menyeluruh (U) yang bervariasi dari 10 W /m2.K – 250 W /m2.K, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (4.6) sehingga diperoleh seperti tabel di bawah ini.
Tabel 4.6 Berbagai variasi nilai koefisen pindahan panas menyeluruh (U) U (W /m2.K) Q (W) ΔT (K) V ( m3) a (m2/m3)
10 1110 1.1 0.0866 1165.231997 20 1110 1.1 0.0866 582.6159983 30 1110 1.1 0.0866 388.4106655 40 1110 1.1 0.0866 291.3079992 50 1110 1.1 0.0866 233.0463993 60 1110 1.1 0.0866 194.2053328 70 1110 1.1 0.0866 166.4617138 80 1110 1.1 0.0866 145.6539996 90 1110 1.1 0.0866 129.4702218 100 1110 1.1 0.0866 116.5231997 110 1110 1.1 0.0866 105.9301815 120 1110 1.1 0.0866 97.10266639 130 1110 1.1 0.0866 89.63323051 140 1110 1.1 0.0866 83.2308569 150 1110 1.1 0.0866 77.68213311 160 1110 1.1 0.0866 72.82699979 170 1110 1.1 0.0866 68.54305863 180 1110 1.1 0.0866 64.73511092 190 1110 1.1 0.0866 61.32799982 200 1110 1.1 0.0866 58.26159983 210 1110 1.1 0.0866 55.48723794 220 1110 1.1 0.0866 52.96509076 230 1110 1.1 0.0866 50.66226072 240 1110 1.1 0.0866 48.55133319 250 1110 1.1 0.0866 46.60927987
Berdasarkan Shivaraman [13], besarnya nilai desain dari berbagai jenis bahan pengisi untuk menara pendingin adalah sebagai berikut :
45 Tabel 4.7 Nilai desain dari berbagai jenis bahan pengisi
Untuk bahan pengisi jenis film fill luas bidang kontak pindahan panas yang efektif adalah 150 m2/m3. Luas ini untuk satu paket film fill PVC yang terdiri dari 2 lapis PVC, maka untuk 1 lapis PVC luasnya 75 m2/m3 dan bila disesuaikan luas bidang kontak pindahan panas ini terhadap tabel 4.6 Berbagai variasi nilai koefisen pindahan panas menyeluruh (U), maka harga koefisen pindahan panas menyeluruh (U), yang sesuai terletak antara 150 W /m2.K – 160 W /m2.K. Dengan menginterpolasi maka harga koefisien pindahan panas menyeluruh (U), didapat sebagai berikut
U (W/m 2.K) Q (Watt) ΔT (K) V (m3) a (m2/m3)
150 1110 1.1 0.0866 77.68213311 U75 1110 1.1 0.0866 75
160 1110 1.1 0.0866 72.82699979
Maka harga koefisien pindahan panas menyeluruh (U75) didapat:
(
)
K m W U K m W K m W U m m m m m m m m K m W K m W K m W U . 5 . 155 . 150 . 10 ) 5524 , 0 ( 6821 . 7 7 72.8269 1 77.6821331 75 . 150 . 160 . 150 2 150 2 2 150 3 2 3 2 3 2 3 2 2 2 2 75 = + × = − − = − −Sehingga diperoleh harga koefisien pindahan panas menyeluruh (U) , adalah 155.5 W /m2.K. Dan luas bidang kontak pindahan panas pada 1 filler yaitu sebesar 75 m2/m3
46
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan pada menara pendingin yang dirancang dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Dalam penelitian ini range maksimum yang dapat dicapai dari menara pendingin yang menggunakan 1 lapis filler adalah sebesar 5 oC.
2. Approach yang dicapai pada penelitian dengan menggunkan 1 lapis filler adalah 2,05 oC. Semakin rendah nilai approach semakin baik kinerja menara pendingin
3. Efisiensi yang diperoleh pada menara pendingin rancangan adalah
% 92 , 70
= ctr
η sedangkan terhadap menara pendingin acuan yang berada di Capital Building adalah ηcta =83,33%
4. Kapasitas pendingin yang dapat dihitung adalah sebagai hasil dari kecepatan aliran massa air, panas spesifik dan perbedaan suhu yaitu sebesar qctr = 3996
kJ/h. Sedangkan penyerapan kalor (q) maksimum dari Menara pendingin acuan (cooling load) qcta = 15.990914,52 k
![Gambar 2.12. Menara pendingin forced draft dengan aliran melintang [1].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/335310.30593/30.595.119.500.83.340/gambar-menara-pendingin-forced-draft-aliran-melintang.webp)
