PENELITIAN KINERJA INDUCED DRAFT COOLING
TOWER DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI
SEBAGAI FILLING MATERIAL
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DIAN MORFI NASUTION
NIM. 050401105
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah puji dan syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan
rahmat, hidayah, dan karunia-Nya serta nikmat kesehatan sehingga penulis dapat
menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaik-baiknya. Shalawat dan salam
kepada Rasulullah Muhammad SAW, contoh tauladan dalam kehidupan ini.
Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan
mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun
Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Termodinamika Teknik dengan
judul "PENELITIAN KINERJA INDUCED DRAFT COOLING TOWER DENGAN POTONGAN PIPA PVC Ø 1 INCI SEBAGAI FILLING MATERIAL".
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat
dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati
penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Mora Oloan Nasution, BA
dan (Ibu) Friatni Hastuti yang senantiasa memberikan kasih sayang,
dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada
adik-adik, yaitu Aulia Morfi Nasution, Aji Muthahari Morfi Nasution, dan
Eprin Bahar Nasution.
2. Bapak Ir. H. M. Yahya Nasution, selaku dosen pembimbing yang telah
banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu
penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Bapak Ir. Zamanhuri, MT yang juga banyak membantu dalam penelitian
ini dalam perancangan water heater.
4. Bapak Dr. Armansyah Ginting, M.Eng (Dekan Fakultas Teknik USU),
beserta segenap Staf dan Jajarannya.
5. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, dan Bapak Tulus Burhanuddin
Sitorus, ST. MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin
6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik USU.
7. Bapak Abdul Hadi, SE. Msi
8. Nurmaliza, SE yang setiap saat memberikan perhatian, semangat,
dukungan, dan masukan dengan penuh kasih sayang.
9. Rekan satu tim, Oberman David S, Jefry SH, dan Henri, atas kerja sama
yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.
10.Abang-abang stambuk 2004, tim riset sebelumnya yang telah membantu
dalam penelitian ini.
11.Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa
kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2005 yang tidak dapat
disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi
masukan yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini, "Solidarity
Forever".
12.Anak kos sofyan 88 periode 2003/2007 dan sahabat-sahabatku seluruhnya.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan
maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan
saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas
Sarjana ini dikemudian hari.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa
kepada Allah SWT semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita semua.
Medan, 12 Februari 2010
Penulis
ABSTRAK
Filling material (bahan pengisi) adalah komponen yang sangat berpengaruh terhadap kinerja menara pendingin, dimana permukaan kontak antara air dengan udara diperluas dan waktu kontaknya diperpanjang. Salah satu bentuk bahan pengisi yang paling mutakhir adalah bentuk inclined honey comb yang terbuat dari lembaran PVC tipis yang harganya cukup mahal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menemukan suatu jenis bahan pengisi yang baru dengan tingkat efektifitas yang memadai dan harga yang terjangkau. Bahan pengisi yang diaplikasikan pada penelitian ini dibuat dari tumpukan potongan pipa PVC ؽ", ؾ" , dan Ø1". Skripsi ini menyajikan hasil penelitian dengan bahan pengisi dari pipa PVC Ø1", sedangkan ukuran yang lain disajikan oleh rekan-rekan lain yang juga merupakan anggota tim penelitian ini. Penelitian ini dilakukan dengan menguji beberapa parameter yang menunjukkan kinerja menara pendingin seperti range, approach, beban pendinginan, dan laju penguapan air yang mengaplikasikan bahan pengisi non-konvensional ini. Hasil penelitian diperoleh data-data utama yaitu ketinggian optimal bahan pengisi, berat bahan pengisi, suhu bola basah udara, debit air optimal, kebutuhan udara, dan harga bahan pengisi. Sehingga tampak bahwa potongan pipa PVC ؽ", ؾ" , dan Ø1" dapat direkomendasikan sebagai bahan pengisi yang cukup baik untuk menara pendingin selain inclined honey comb filling.
Kata kunci: bahan pengisi, kinerja menara pendingin.
ABSTRACT
Filling material is a component that influence the performance of a cooling tower, where the contact surface and period between water and air are extended. One of the best forms of fill is the inclined-honeycomb form that is made from PVC lamellas which the price is quite expensive. The aim of this research is to find a new filling material with reliable effectiveness and affordable cost. The filling material itself was made from stacks of chopped PVC pipe with the size of ؽ", ؾ", and Ø1". This paper itself provides the result from the research of Ø1" size of PVC filling material, while the other sizes are provided by the other members of this research. This research was conducted by examining some parameters that indicate the performance of a cooling tower such as range, approach, heat load and evaporation rate with this non-conventional filling material. The research show main points are height optimum filling material, weight of filling material, wet bulb temperature, water debit optimum, air volume and cost of filling material. So we can see that chopped PVC pipe with the size of ؽ", ؾ", and Ø1" can be recomanded as a new filling material for cooling tower beside inclined honey comb filling.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR… ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR TABEL ... vi
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR NOTASI ... x
DAFTAR LAMPIRAN ... xi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Batasan Masalah ... 2
1.3. Tujuan Penelitian ... 2
1.4. Manfaat Penelitian ... 2
1.5. Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1.Pengertian Menara Pendingin ... 4
2.2. Fungsi Menara Pendingin ... 5
2.3. Prinsip Kerja Menara Pendingin ... 6
2.4. Konstruksi Menara Pendingin ... 7
2.5. Klasifikasi Menara Pendingin ... 11
2.5.1. Menara Pendingin Basah (Wet Cooling Tower) ... 11
2.5.2. Menara Pendingin Kering (Dry Cooling Tower) ... 17
2.5.3. Menara Pendingin Basah-Kering (Wet-Dry Cooling Tower) ... 20
2.6. Kinerja Menara Pendingin ... 21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 26
3.1. Perencanaan Awal Penelitian ... 26
3.1.1. Pemilihan Jenis Menara Pendingin ... 26
3.1.2. Penempatan Menara Pendingin ... 26
3.2. Perencanaan Instalasi Menara Pendingin ... 26
3.2.2. Penentuan cooling range menara pendingin ... 28
3.2.3. Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin ... 28
3.2.4. Perancangan kondensor sebagai penyedia air panas ... 29
3.2.5. Perancangan konstruksi menara pendingin ... 34
3.2.6. Pemilihan sprinkler ... 37
3.2.7. Perencanaan instalasi menara pendingin ... 38
3.2.8. Perencanaan bahan pengisi (filling material) ... 39
3.3. Alat Ukur yang Digunakan ... 40
3.4. Pelaksanaan Penelitian ... 44
3.5. Perumusan hasil Penelitian ... 47
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 48
4.1. Hasil Penelitian ... 48
4.2. Pembahasan Hasil Penelitian ... 55
4.3. Perbandingan Hasil Penelitian ... 62
BAB V KESIMPULAN & SARAN ... 66
5.1. Kesimpulan ... 66
5.2. Saran ... 67
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi
ketinggian filling material (Debit air masuk konstan 16,5
ℓ/min) ... 48 Tabel 4.2. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH
udara keluar menara pendingin ... 49
Tabel 4.3. Hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu
udara keluar menara pendingin ... 50
Tabel 4.4. Hasil pengujian kinerja menara pendingin pada setiap variasi
kenaikan debit air(ketinggian filling material 12 cm) ... 52
Tabel 4.5. Hubungan antara debit airdengan suhu air pada water basin ... 52
Tabel 4.6. Hubungan antara debit airdengan RH udara keluar menara
pendingin ... 53
Tabel 4.7. Hubungan antara debit airdengan suhu udara keluar menara
pendingin ... 54
Tabel 4.8. Hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik ... 56
Tabel 4.9. Hubungan kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan
spesifik menara pendingin ... 57
Tabel 4.10. Hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara
persatuan luas penampang menara pendingin ... 58
Tabel 4.11. Hubungan kenaikan debit air terhadap laju penguapan air
menara pendingin ... 60
Tabel 4.12. Hubungan kenaikan debit air terhadap rasio air dengan
udara ... 61
Tabel 4.13. Perbandingan hasil penelitian filling material pipa PVC Ø
½ inci, Ø ¾ inci, dan Ø 1 inci ... 62
Tabel 4.14. Perbandingan spesifikasi menara pendingin yang
mengaplikasikan inclined-honeycomb filling material
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Range dan approach temperatur pada menara pendingin ... 4
Gambar 2.2. Skema menara pendingin ... 6
Gambar 2.3. Konstruksi menara pendingin... 7
Gambar 2.4. Splash Filling material ... 9
Gambar 2.5. Film Filling material ... 10
Gambar 2.6. Low-clogFilm Filling material ... 11
Gambar 2.7. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah ... 12
Gambar 2.8. Menara pendingin aliran angin alami aliran silang ... 13
Gambar 2.9. Menara pendingin Forced Draft ... 15
Gambar 2.10. Menara pendingin induced draft dengan aliran berlawanan ... 15
Gambar 2.11. Menara pendingin induced draft dengan aliran melintang ... 16
Gambar 2.12. Menara pendingin aliran angin gabungan ... 17
Gambar 2.13. Menara pendingin kering langsung ... 18
Gambar 2.14. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan kondensor permukaan konvensional ... 19
Gambar 2.15. Skematik instalasi menara pendingin kering tak langsung dengan sirkulasi bahan pendingin 2 fase ... 20
Gambar 2.16. Menara pendingin basah-kering ... 21
Gambar 2.17. Diagram menara pendingin ... 25
Gambar 3.1. Fan ... 27
Gambar 3.2. Pompa Air ... 28
Gambar 3.3. Diagram TemperaturAlat penukar kalor ... 32
Gambar 3.4. Pipa tembaga yang siap digunakan ... 33
Gambar 3.5. Alat penukar kalor ... 34
Gambar 3.6. Alat penukar kalor dan Steam Generator yang selesai dirakit ... 34
Gambar 3.7. Rangka menara pendingin ... 35
Gambar 3.8. Dimensi menara pendingin... 36
Gambar 3.11. Skema instalasi menara pendingin ... 38
Gambar 3.12. Menara pendingin yang telah selesai dirakit ... 39
Gambar 3.13. Filling material ... 40
Gambar 3.14. Flowmeter ... 41
Gambar 3.15. Anemometer ... 42
Gambar 3.16. Thermometer ... 43
Gambar 3.17. Termohigrometer ... 44
Gambar 3.18. Pengukuran suhu udara dan kelembaban relatif (RH) ... 45
Gambar 3.19. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian. ... 46
Gambar 4.1. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap RH udara keluar menara pendingin ... 50
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara ketinggian filling material terhadap suhu udara keluar menara pendingin ... 51
Gambar 4.3. Grafik hubungan antara debit air dengan suhu air pada water basin ... 53
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara debit airterhadap RH udara keluar menara pendingin ... 54
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara debit airterhadap suhu udara keluar menara pendingin ... 55
Gambar 4.6. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan debit air spesifik ... 56
Gambar 4.7. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan kapasitas pendinginan spesifik menara pendingin ... 58
Gambar 4.8. Grafik hubungan kenaikan debit air dengan debit aliran udara persatuan luas penampang menara pendingin ... 59
Gambar 4.9. Grafik hubungan antara kenaikan debit air dengan terhadap laju penguapan air ... 60
Gambar 4.10. Grafik hubungan kenaikan debit air terhadap rasio air- udara ... 61
Gambar 4.12. Hubungan debit air dengan luas penampang fill pada
menara pendingin Liang Chi untuk tipe LBC 3-30 dan
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
A Luas penampang m2
Cp Panas jenis kJ/kg °C
Cfm Cubic feet per minute ft3min
D Diameter m
h Tinggi lapisan fill (tumpukan) -
ha Entalpi udara kering kJ/kg
hin Koefisien perpindahan kalor W/m2.°C
di dalam pipa
hf Entalpi air kJ/kg
hfg Latent heat of vaporization J/kg
hout Koefisien perpindahan kalor W/m2.°C
di luar pipa
hv Entalpi uap air di udara kJ/kg
k Konduktivitas termal W/m.°C
L Panjang m
m Debit air ℓ/menit
.
sp
m Debit air spesifik ℓ/min/m2
Nu Angka Nusselt -
Pr Angka Prandtl -
Q Kapasitas pendinginan kJ/s
Qsp Kapasitas pendinginan spesifik kJ/s/m2
R Tahanan termal °C/W
r Jari-jari m
Re Angka Reynolds -
RH Kelembaban relatif %
Tdb Temperatur udara kering °C
Twb Temperatur bola basah udara °C
U Koefisien pindahan panas W/m2 °C
menyeluruh
.
V Debit aliran udara m3/s
v Volum spesifik m3/kg
µ Viskositas kg/m.s
ρ Mass density kg/m3
ωH Rasio kelembaban udara kg uap air / kg
udara
ωω Rasio cair-gas udara kg air / kg
udara kering
ρA Kerapatan air kg/ℓ
∆T Perubahan temperatur °C
DAFTAR LAMPIRAN
L.1. Carrier Psychrometric Chart
L.2. Katalog menara pendingin Liang Chi Industry Co. Ltd
L.3. Gambar kerja menara pendingin
ABSTRAK
Filling material (bahan pengisi) adalah komponen yang sangat berpengaruh terhadap kinerja menara pendingin, dimana permukaan kontak antara air dengan udara diperluas dan waktu kontaknya diperpanjang. Salah satu bentuk bahan pengisi yang paling mutakhir adalah bentuk inclined honey comb yang terbuat dari lembaran PVC tipis yang harganya cukup mahal. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menemukan suatu jenis bahan pengisi yang baru dengan tingkat efektifitas yang memadai dan harga yang terjangkau. Bahan pengisi yang diaplikasikan pada penelitian ini dibuat dari tumpukan potongan pipa PVC ؽ", ؾ" , dan Ø1". Skripsi ini menyajikan hasil penelitian dengan bahan pengisi dari pipa PVC Ø1", sedangkan ukuran yang lain disajikan oleh rekan-rekan lain yang juga merupakan anggota tim penelitian ini. Penelitian ini dilakukan dengan menguji beberapa parameter yang menunjukkan kinerja menara pendingin seperti range, approach, beban pendinginan, dan laju penguapan air yang mengaplikasikan bahan pengisi non-konvensional ini. Hasil penelitian diperoleh data-data utama yaitu ketinggian optimal bahan pengisi, berat bahan pengisi, suhu bola basah udara, debit air optimal, kebutuhan udara, dan harga bahan pengisi. Sehingga tampak bahwa potongan pipa PVC ؽ", ؾ" , dan Ø1" dapat direkomendasikan sebagai bahan pengisi yang cukup baik untuk menara pendingin selain inclined honey comb filling.
Kata kunci: bahan pengisi, kinerja menara pendingin.
ABSTRACT
Filling material is a component that influence the performance of a cooling tower, where the contact surface and period between water and air are extended. One of the best forms of fill is the inclined-honeycomb form that is made from PVC lamellas which the price is quite expensive. The aim of this research is to find a new filling material with reliable effectiveness and affordable cost. The filling material itself was made from stacks of chopped PVC pipe with the size of ؽ", ؾ", and Ø1". This paper itself provides the result from the research of Ø1" size of PVC filling material, while the other sizes are provided by the other members of this research. This research was conducted by examining some parameters that indicate the performance of a cooling tower such as range, approach, heat load and evaporation rate with this non-conventional filling material. The research show main points are height optimum filling material, weight of filling material, wet bulb temperature, water debit optimum, air volume and cost of filling material. So we can see that chopped PVC pipe with the size of ؽ", ؾ", and Ø1" can be recomanded as a new filling material for cooling tower beside inclined honey comb filling.
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kebanyakan sistem pengkondisian udara dan proses-proses industri
menghasilkan kalor yang harus dibuang dan disipasikan. Secara umum air banyak
digunakan sebagai media penukar kalor untuk membuang kalor dari berbagai
kondensor pesawat pendingin ataupun alat-alat penukar kalor dari proses industri.
Pada masa lampau, hal ini dicapai dengan memanfaatkan pengaliran air dingin
yang kontinu dari sumber-sumber air, melewatkannya pada proses yang
membutuhkan pendinginan, dan kemudian membuangnya kembali sebagai air
keluaran yang panas. Hal ini secara langsung dapat menyebabkan gangguan
ekologi air. Selain itu, semakin berkembangnya kehidupan masyarakat dan sektor
industri mengakibatkan dukungan sumber air semakin terbatas baik secara
kuantitas maupun kualitas.
Menara pendingin dapat mengatasi masalah tersebut di atas, karena
mampu menurunkan suhu air lebih dari peralatan-peralatan yang hanya
menggunakan udara untuk membuang kalor. Menara pendingin menurunkan suhu
aliran air dengan cara mengektrasikan kalor dari air tersebut dan
mengemisikannya ke atmosfir. Konsumsi air dari suatu sistem menara pendingin
hanya sekitar 5% dibandingkan dengan sistem pengaliran air sekali lewat yang
telah disebutkan di atas, sehingga merupakan sistem yang paling ekonomis dari
segi konservasi air. Selain itu, jumlah air panas yang terbuang (blowdown)
sangatlah kecil, sehingga efek terhadap ekologi juga sangat minim.
Salah satu komponen yang sangat mempengaruhi kinerja menara
pendingin adalah bahan pengisi atau Fill. Bahan pengisi berguna untuk
memfasilitasi perpindahan kalor guna memaksimalkan kontak udara dengan air.
Dewasa ini terus dikembangkan bentuk dan susunan bahan isian yang dapat
memberikan tingkat keefektifan pendinginan yang memadai dengan biaya
produksi rendah. Fakta ini mendorong penulis merealisasikan sebuah penelitian
untuk mendapatkan suatu jenis bahan pengisi yang baru, sederhana, dan murah
1.2. Batasan 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 panas yang disimulasikan oleh pemanas air
berupa alat penukar kalor yang menggunakan uap dari steam generator sebagai
media pemanasnya. Lalu menjatuhkannya pada filling material yang terbuat dari
potongan-potongan pipa PVC Ø 1 inci dengan panjang potongan 5 cm terhadap
aliran udara oleh fan agar menjadi air bertemperatur normal. Adapun temperatur
air panas yang akan didinginkan dibatasi sebesar 33°C dan temperatur air normal
rata-rata adalah 28°C. Pembatasan masalah pada penelitian ini mencakup
permasalahan termodinamika secara adiabatis dan hal yang utama adalah kinerja
filling material tersebut.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah
1. Mencari ketinggian filling material (bahan pengisi) sederhana berupa
potongan-potongan pipa PVC Ø 1 inci yang optimal dalam menurunkan
temperatur air.
2. Mendapatkan data-data spesifikasi utama dari menara pendingin hasil
penelitian.
3. Membandingkan kinerja menara pendingin hasil penelitian dengan menara
pendingin yang menggunakan inclined honey comb filling.
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memperoleh filling material baru yang dapat diaplikasikan secara luas
pada menara pendingin dengan tingkat efektifitas yang memadai dan harga
yang terjangkau.
2. Memberikan informasi dan masukan kepada pembaca maupun penulis
1.5. Sistematika Penulisan
Skripsi ini dibagi menjadi beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah
sebagai berikut :
1. Bab I Pendahuluan
Bab ini berisikan latar belakang penelitian, batasan masalah, tujuan
penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan laporan.
2. Bab II Tinjauan Pustaka
Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai
pengertian, fungsi, jenis, prinsip kerja, dan konstruksi dari menara
pendingin. Serta kinerja menara pendingin dengan menggunakan
persamaan-persamaan termodinamika.
3. Bab III Metodologi Penelitian
Bab ini berisikan urutan dan cara yang dilakukan pada penelitian mulai
dari perencanaan awal penelitian, perencanaan instalasi menara pendingin,
alat ukur yang digunakan, pelaksanaan penelitian, dan perumusan hasil
penelitian.
4. Bab IV Hasil Penelitian dan Pembahasan
Bab ini berisikan penyajian data-data hasil penelitian menara pendingin
yang diplot ke dalam beberapa grafik dan pembahasan kinerja menara
pendingin dengan persamaan-persamaan termodinamika.
5. Bab V Kesimpulan dan Saran
Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan yang diperoleh dari
penelitian dan saran untuk pengembangan menara pendingin kedepannya.
6. Daftar Pustaka
Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan dalam
penelitian dan penyusunan laporan ini.
7. Lampiran
Lampiran berisikan Psychrometric Chart, katalog menara pendingin yang
dibandingkan, gambar kerja menara pendingin yang dirancang, dan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Menara Pendingin
Menurut El. Wakil, 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.
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, 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
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:
1. Kompresor, berfungsi untuk mengkompresi refrijeran dari fasa uap tekanan
rendah evaporator hingga ke tekanan tinggi kondensor.
2. Kondensor, berfungsi untuk mengkondensasi uap refrijeran kalor lanjut yang
keluar dari kompresor.
3. 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.
4. Evaporator, berfungsi untuk menguapkan refrijeran dari fasa cair + uap
menjadi fasa uap
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 sejuk (dingin) untuk
pendingin berfungsi untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi
panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfer.
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.
Sehingga air yang tersisa didinginkan secara signifikan.
Gambar 2.2. Skema menara pendingin
Prinsip kerja menara pendingin dapat dilihat pada gambar di atas. Air dari
bak/basin dipompa menuju heater untuk dipanaskan dan dialirkan ke menara
pendingin. Air panas yang keluar tersebut secara langsung melakukan kontak
dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena pengaruh fan atau blower
yang terpasang pada bagian atas menara pendingin, lalu mengalir jatuh ke bahan
Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu
kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet-bulb udara. 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 ketika proses evaporative cooling tersebut
sedang berlangsung.
2.4. Konstruksi Menara Pendingin
Adapun konstruksi menara pendingin jenis aliran angin tarik (induced
[image:30.595.130.493.316.563.2]draft counterflow cooling tower) adalah sebagai berikut.
Gambar 2.3. Konstruksi menara pendingin
Konstruksi menara pendingin secara garis besar terdiri atas:
1. Kipas (fan)
Kipas merupakan bagian terpenting dari sebuah menara pendingin karena
berfungsi untuk menarik udara dingin dan mensirkulasikan udara tersebut di
menara pendingin tidak akan optimal. Kipas digerakkan oleh motor listrik yang
dikopel langsung dengan poros kipas.
2. Kerangka pendukung menara (tower supporter)
Kerangka pendukung menara berfungsi untuk mendukung menara
pendingin agar dapat berdiri kokoh dan tegak. Towersupporter terbuat dari baja.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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 didistribusikan. Inlet louver terbuat dari seng.
7. Bahan Pengisi (filling material)
Filling material merupakan bagian dari menara pendingin yang berfungsi
untuk mencampurkan air yang jatuh dengan udara yang bergerak naik. Air masuk
yang mempunyai suhu yang cukup tinggi (33oC) akan disemprotkan ke filling
material. Pada filling material inilah air yang mengalir turun ke water basin akan
bertukar kalor dengan udara segar dari atmosfer yang suhunya (28oC). Oleh sebab
itu, filling material harus dapat menimbulkan kontak yang baik antara air dan
udara agar terjadi laju perpindahan kalor yang baik. Filling material harus kuat,
Filling material ini mempunyai peranan sebagai memecah air menjadi
butiran-butiran tetes air dengan maksud untuk memperluas permukaan
pendinginan sehingga proses perpindahan panas dapat dilakukan seefisien
mungkin.
Filling material ini umumnya terdiri dari 2 jenis lapisan:
1. 1st level packing
Merupakan Filling material lapisan atas yang mempunyai celah sarang
lebah lebih besar dimaksudkan untuk pendinginan tahap pertama. Fluida
yang akan didinginkan pertama kali dialirkan ke lamella ini.
2. 2nd level packing
Merupakan Filling material yang lebih lembut untuk second stage
pendinginan. Pabrikan package menara pendingin umumnya merancang
Filling material pada stage ini lebih tebal sehigga dapat menampung
kapasitas fluida yang lebih banyak.
Jenis bahan pengisi dapat dibagi menjadi:
a. Bahan pengisi jenis percikan (Splash fill)
Air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi
permukaan bahan pengisi. 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.
[image:32.595.219.403.545.718.2]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. Jenis bahan
pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan kalor yang sama dalam
volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash. Bahan pengisi film
dapat menghasilkan penghematan listrik yang signifikan melalui kebutuhan air
yang lebih sedikit dan head pompa yang lebih kecil.
Gambar 2.5. Film Fill
c. Bahan pengisisumbatan 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
[image:33.595.222.402.333.530.2]Gambar 2.6. Low-clogFilm Fill
2.5. Klasifikasi Menara Pendingin
Ada banyak jenis klasifikasi menara pendingin, namun pada umumnya
pengklasifikasian dilakukan berdasarkan sirkulasi air yang terdapat di dalamnya.
Menurut J.R. Singham 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.
Berdasarkan literatur El. Wakil, menara pendingin basah dapat dibagi
[image:34.595.238.389.87.205.2]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.
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:
[image:35.595.196.426.501.718.2]a. Menara pendingin aliran angin alami aliran lawan arah
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
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
Gambar 2.9. Menara pendingin aliran angin mekanik
Gambar 2.11. Menara pendingin induced 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
Gambar 2.12. Menara pendingin aliran angin gabungan
2.5.2. Menara Pendingin Kering (Dry Cooling Tower)
Menara pendingin kering (dry cooling tower) adalah menara pendingin
yang air sirkulasinya dialirkan 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 dimasukkan ke kotak uap
melalui talang-talang besar supaya jatuh pada tekanan yang tidak terlalu besar dan
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 sistem 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.
2. Memerlukan talang-talang ukuran besar.
Gambar 2.13. Menara pendingin kering langsung
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
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 dengan 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
menghasilkan beda suhu yang lebih rendah antara uap dan amoniak dan antara
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 mempunyai 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.
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
[image:44.595.186.438.272.519.2]tambahan.
Gambar 2.16. Menara pendingin basah-kering
2.6. Kinerja Menara Pendingin
Kinerja menara pendingin dievaluasi untuk mengkaji tingkat approach dan
range operasi terhadap nilai rancangan, mengidentifikasi area terjadinya
pemborosan energi, dan juga untuk mendapatkan saran perbaikan.
Sebagai evaluasi kinerja, pemantauan dilaksanakan untuk mengukur
parameter-parameter signifikan berikut ini:
1. Temperatur udara wet bulb
3. Temperatur air masuk menara pendingin
4. Temperatur air keluar menara pendingin
5. Temperatur udara keluar
6. Laju aliran air
7. Laju aliran udara.
Parameter terukur tersebut kemudian digunakan untuk menentukan kinerja
menara pendingin dalam beberapa cara, yaitu:
a. Range
Range merupakan perbedaan antara temperatur air masuk dan keluar
menara pendingin. Range yang tinggi berarti bahwa menara pendingin telah
mampu menurunkan temperatur air secara efektif dan kinerjanya baik. Rumusnya
adalah sebagai berikut.
Range (°C) = temperatur air masuk (°C) – temperatur air keluar (°C)
Range bukan ditentukan oleh menara pendingin, namun oleh proses yang
dilayaninya. Range pada suatu alat penukar kalor ditentukan seluruhnya oleh
beban panas dan laju sirkulasi air yang melalui penukar panas dan menuju ke air
pendingin. Menara pendingin biasanya dikhususkan untuk mendinginkan laju
aliran tertentu dari satu temperatur ke temperatur lainnya pada temperatur wet
bulb tertentu.
b. Approach
Approach adalah perbedaan antara temperatur air dingin keluar menara
pendingin dan temperatur wet bulb ambien. Semakin rendah approach semakin
baik kinerja menara pendingin. Walaupun range dan approach harus dipantau,
akan tetapi, approach merupakan indikator yang lebih baik untuk kinerja menara
pendingin.
Sebagaimana aturan yang umum, semakin dekat approach terhadap wet bulb,
akan semakin mahal menara pendinginnya karena meningkatnya ukuran. Ketika
ukuran menara harus dipilih, maka approach menjadi sangat penting, yang
kemudian diikuti oleh debit air dan udara, sehingga range dan wet bulb mungkin
akan menjadi semakin tidak signifikan.
c. Efektivitas pendinginan
Efektivitas pendinginan merupakan perbandingan antara range dan range
ideal. Semakin tinggi perbandingan ini, maka semakin tinggi efektivitas
pendinginan suatu menara pendingin.
Efektivitas pendinginan (%) =
bulb r wet temperatu -masuk air temperatur keluar air r temperatu -masuk air temperatur % 100
d. Debit air spesifik
Sesuai dengan ukuran luas penampang menara pendingin dan debit air,
maka dapat dihitung debit air spesifik dengan rumus sebagai berikut.
tower
A m sp
m
.
………..………..(2.1)dimana: msp.= debit air spesifik (ℓ/min/m2)
m = debit air (ℓ/menit)
Atower = luas penampang menara pendingin (m2).
e. Kapasitas pendinginan (cooling load)
Kapasitas pendinginan suatu menara pendingin adalah setara dengan
kemampuan menara pendingin tersebut dalam membuang panas ke lingkungan.
Kapasitas pendinginan dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
T
c
m
Q
p
………..………..(2.2)Sedangkan kapasitas pendinginan spesifik persatuan luas penampang menara
tower Sp.
A
Q
Q
………..(2.3)dimana: Q = kapasitas pendinginan (kW)
m
= debit air (kg/s)Cp = kalor jenis air (KJ/kg°C)
∆T = perbedaan suhu air masuk dan suhu air keluar (°C)
Atower = luas penampang menara pendingin (m2)
f. Laju penguapan air ke udara
Salah satu parameter kinerja menara pendingin yang penting adalah laju
penguapan air ke udara. Proses penguapan inilah yang menjadi prinsip dasar suatu
menara pendingin dalam mendinginkan air kondensor. Adapun rumus untuk
menghitung laju penguapan air ke udara pada suatu menara pendingin adalah
sebagai berikut.
Laju penguapan air (ℓ/menit) =(
-
)×
×60………..(2.4)dimana:
(ωH2 -ωH1) = selisih antara rasio kelembaban udara keluar dan masuk
menara pendingin (kg uap air / kg udara)
.
V = debit aliran udara (m³/s) ρ = densitas air = 0,99285 kg/ℓ
v1 = volum spesifik udara ambien (m3/kg).
g. Rasio air dengan udara
Nilai rasio air-udara adalah parameter yang sangat penting dalam
pemilihan suatu menara pendingin, terutama dalam pemilihan kapasitas fan. Rasio
ini merupakan perbandingan antara debit air spesifik yang hendak didinginkan
terhadap debit udara spesifik yang diinduksikan oleh fan minimum.
2
h. Kesetimbangan energi
Dengan asumsi adiabatis untuk operasi suatu menara pendingin, maka
akan berlaku persamaan kesetimbangan energi antara energi yang masuk dan
keluar dari suatu menara pendingin.
Gambar 2.17. Diagram menara pendingin.
Adapun persamaan kesetimbangan energi yang dimaksud adalah sebagai berikut:
fB B v
H a
fA A v
H
a
h
h
h
h
h
h
1
1 1
2
2 2
…………..(2.6)dimana:
ha = entalpi udara kering (kJ/kg)
ωH = rasio kelembaban udara (kg uap air / kg udara)
hv = entalpi uap air di udara (kJ/kg)
ωω = rasio cair-gas udara (kg air / kg udara kering)
hf = entalpi air (kJ/kg)
ha + ωH hv = entalpi campuran udara-uap air (kJ/kg). ha1
ωH1
hv1
ha2
ωH2
hv2 air panas masuk
ωωA hfA
Air dingin keluar
BAB III
METODOLOGI PENELITAN
3.1. Perencanaan Awal Penelitian
3.1.1. Pemilihan Jenis Menara Pendingin
Jenis menara pendingin yang digunakan pada penelitian ini adalah menara
pendingin tipe aliran angin tarik (induced-draft cooling tower). 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. Penempatan Menara Pendingin
Penempatan menara pendingin direncanakan di lantai atap gedung
Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin USU, Medan. Hal ini dilakukan
dengan pertimbangan bahwa kinerja menara pendingin sangat bergantung pada
kondisi lingkungan dan uap panas yang keluar dari menara pendingin dapat
merusak dinding gedung apabila menara pendingin ditempatkan di dalam gedung.
Koordinat posisi penempatan menara pendingin yaitu berada pada 1° - 4° Lintang
Utara dan 98° - 100° Bujur Timur, 3°33'43.07" Lintang Utara dan 98°39'23.61"
Bujur Timur.
Instalasi menara pendingin ini harus diletakkan diatas permukaan yang
datar. Oleh karena itu, terlebih dahulu dibuat cor semen berukuran 1 m2 sebagai
tempat berdirinya menara pendingin.
3.2. Perencanaan Instalasi Menara Pendingin
Adapun urutan dari perencanaan instalasi menara pendingin ini adalah
sebagai berikut.
1. Penentuan kapasitas aliran udara fan
2. Penentuan cooling range menara pendingin
3. Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin
5. Perancangan konstruksi menara pendingin
6. Pemilihan sprinkler
7. Perencanaan instalasi menara pendingin
8. Perencanaan bahan pengisi (filling material)
3.2.1. Penentuan kapasitas aliran udara fan
Fan yang digunakan untuk penelitian menara pendingin ini mempunyai
spesifikasi sebagai berikut.
Merk : Richardson
Daya Motor : 1500 W
Voltase : 380 / 3 / 50 V
Putaran : 2865 rpm
Diameter fan : 15 inci (0.381 m)
Gambar 3.1. Fan
Kapasitas aliran udara maksimum fan ditentukan berdasarkan hasil
pengukuran kecepatan aliran udara dengan anemometer. Kecepatan aliran udara
hasil pengukuran anemometer adalah 14,4 m/s, sehingga perhitungan kapasitas
aliran udara maksimum fan adalah sebagai berikut.
v D v
A
V . .
4 1
. 2
.
) min ( 3475 64 , 1 ) 4 , 14 .( ) 381 , 0 .( 4 1 3 3 2 ft cfm s m
3.2.2. Penentuan cooling range menara pendingin
Pada penelitian menara pendingin ini, air panas kondensor disimulasikan
dengan water heater. Menurut Richard J. DesJardins (CTI Journal, Vol. 28),
pengujian kinerja filling material untuk menara pendingin kebanyakan dilakukan
produsen pada temperatur air panas sebesar 33°C. Maka, menara pendingin ini
direncanakan untuk dapat mendinginkan air panas dengan temperatur 33°C
menjadi temperatur normal air sejuk sekitar 28°C. Sehingga, cooling range
maksimum yang direncanakan untuk penelitian menara pendingin ini adalah
selisih antara 28°C dan 33°C atau sebesar 5°C.
3.2.3. Penentuan debit aliran distribusi air menara pendingin
Debit air untuk menara pendingin ini disesuaikan dengan debit maksimum
pompa air sentrifugal dengan spesifikasi sebagai berikut:
Merk : Shimizu
Model : PS-128 BIT
Daya Motor : 125 W
Voltase : 220-240 V
Putaran : 2850 rpm
Total head : Max. 33 meter
3.2.4. Perancangan alat penukar kalor sebagai penyedia air panas
Sesuai dengan harga cooling range yang telah ditentukan sebelumnya
untuk menara pendingin ini yaitu sebesar 5°C, maka direncanakan alat penukar
kalor dengan menggunakan pipa tembaga. Adapun perhitungannya dengan
menggunakan rumus perpindahan panas adalah sebagai berikut.
T
c
m
Q
p
………..……..(3.2)Dimana :
m = debit air = 25 ℓ/min ≈ 0,42 Kg/s
ΔT = 330 C – 280C = 50 C
T(rata-rata) = = 30,50 C
Sifat-sifat air pada suhu 30,50 C adalah
ρ = 995,18 kg/m3 k = 0,62 W/m 0C
μ = 7,94 x 10-4 kg/ms Cp = 4,1755 kJ/kg 0C
Pr = 5,346
Sehingga
Q = (0,42 Kg/s) (4,1755 kJ/kg 0C)( 50 C)
= 8768,55 J/s
Kemudian dihitung Angka Reynolds dengan persamaan berikut.
Re = ………..(3.3)
Dimana :
ρ = 995,18 kg/m3
μ = 7,94 x 10-4 kg/ms
d = diameter pipa tembaga sebesar 0,005 m
v = kecepatan air di dalam pipa tembaga, diperoleh dari
5
3 3 10 96 , 1 18 , 995 42 , 0 m kg s m A m total v
Kemudian kecepatan air total tersebut dibagi empat menggunakan header,
sehingga harganya menjadi 5,38 m/s untuk masing-masing pipa tembaga.
Maka:
Re =
ms kg m s m m kg 4 3 10 94 , 7 005 , 0 38 , 5 18 , 995
= 33715,79
Dari bilangan Reynolds di atas maka aliran dalam pipa adalah turbulen, maka
persamaan yang digunakan adalah
Nu = 0,023 Re0,8 Pr 0,4…...………..(3.4)
= 0,023 x (33715,79)0,8 x (5,346)0,4
= 188,45
hi = Nu ………..(3.5)
= 188,45
m C m W 005 , 0 62 . 0
= 23367,8 W/m20C
Media yang digunakan untuk memanaskan air adalah uap yang dihasilkan dari
steam generator dengan tekanan 2 Kg/cm2 pada temperatur 119,56 ° C, sehingga
sifat-sifat film air adalah
T (rata-rata) =
2 33 56 , 119
= 76,28 0C
ρ = 974,12 kg/m3 k = 0,668 W/m 0C
μ = 3,68 x 10-4 kg/ms hfg = 2318,73 kj/kg
Koefisien konveksi untuk kondensasi di luar pipa adalah
ho = 0,725 [ ]1/4……….………..(3.6)
Dimana :
g = gravitasi 9,8 m/s2
Tg = temperatur uap 119,56°C
Tw = temperatur air panas 33°C
ho = 0,725
4 / 1 4 3 6 2 33 56 , 119 00635 , 0 10 68 , 3 668 , 0 10 3187 , 2 8 , 9 12 , 974 = 9679,65 W/m20C
Tahanan termal di bagian dalam per satuan panjang pipa adalah
Ri = ………..……..(3.7)
=
m C
m
W 0.005
8 , 23367
1
2
= 2,73 x 10-3 mºC/W
Tahanan termal luar per satuan panjang adalah
Ro = ………..(3.8)
=
= 5,17 x 10-3 mºC/W
Tahanan termal pipa untuk setiap satuan panjang pipa
Rs = Dimana k = konduktivitas termal tembaga……..(3.9)
( 380,9 W/m 0C)
= 9 , 380 2 005 , 0 00635 , 0 ln
= 9,99 x 10-5 mºC/W
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh yang didasarkan atas permukaan luar
dinyatakan dengan tahanan-tahanan tersebut sebagai berikut.
Uo = ………...….…………..(3.10)
=
5
33 10 17 , 5 10 99 , 9 00635 , 0 005 , 0 00635 , 0 10 73 , 2 1
Dengan Ao = 0,02 m2 per meter panjang
Maka U =
= 02 , 0 753 , 115
= 5787,65 W/m2 0C
Untuk mencari panjang masing-masing pipa tembaga digunakan persamaan.
Q = U A ΔTm………..…………..(3.11)
Pada perancangan ini, uap yang digunakan untuk memanaskan air berada pada
suhu yang tetap, sehingga faktor koreksi (F) adalah 1 (untuk kondensasi atau
penguapan).
Gambar 3.3. Diagram temperatur alat penukar kalor
Sehingga
ΔTm =
2 2 1 1
1 1 2 2
ln Th Tc Th Tc Tc Th Tc Th ………...………..(3.12)
ΔTm =
28 56 , 119 33 56 , 119 ln 28 56 , 119 33 56 , 119 0 C= 89,04 0C
Jadi
Q = U A ΔTm
A =
5787,65
89,04
55 , 8768
= 0,0171 m2
A = π d L
0,0171 m2 = π (0,00635m) L
L =
0,00635
0171 , 0
= 0,853 m = 85,3 cm
Untuk menghindari kerugian-kerugian yang terjadi, maka diambil panjang
masing-masing pipa tembaga adalah 1 meter, dengan jumlah pipa sebanyak empat
buah.
Selanjutnya pipa tembaga tersebut dibentuk dengan proses pengelasan
seperti gambar berikut.
Gambar 3.4. Pipa tembaga yang siap digunakan
Sebagai cangkang untuk pipa tembaga tersebut digunakan pipa uap berdiameter 6
inci dengan tebal dinding pipa 10 mm, tujuannya agar mampu menahan tekanan
dan temperatur yang tinggi dari uap hasil steam generator. Kemudian salah satu
sisi pipa dipasang flens dan sisi yang lain ditutup dengan proses pengelasan. Lalu
dipasang katup untuk membuang air kondensat. Untuk mengurangi terjadinya
kehilangan panas maka dinding cangkang diisolasi menggunakan asbes. Seperti
A. Sebelum diisolasi B. Sesudah diisolasi
Gambar 3.5. Alat penukar kalor
Gambar 3.6. Alat penukar kalordan Steam Generator yang selesai dirakit
3.2.5. Perancangan konstruksi menara pendingin 1. Rangka
Konstruksi menara pendingin ini dirancang menurut konstruksi menara
pendingin aliran angin mekanik. Menurut ASHRAE (2008), batasan tipikal
Untuk perencanaan ini, kecepatan udara didalam menara ditentukan sebesar 2,5 m/s.
m
D
s
m
s
m
m
D
s
m
m
s
m
D
v
A
v
A
Q
Q
tower tower tower fan fan tower tower fan tower9144
,
0
5
,
2
)
4
,
14
.(
)
381
,
0
(
)
4
,
14
.(
)
381
,
0
(
)
5
,
2
.(
)
(
.
.
2 2 2 . .
…………..(3.13)Diambil diameter menara pendingin sebesar 90 cm.
Tinggi menara pendingin ditentukan dengan mempertimbangkan dimensi
berbagai komponen yang lain, seperti sprinkler, instalasi pemipaan, bahan pengisi
(filling material), 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 inci.
Gambar 3.8. Dimensi Menara Pendingin
2. Casing
Material casing yang dipilih adalah pelat seng dengan ketebalan 0,25 mm.
Alasan pemilihan pelat seng sebagai material casing adalah memiliki ketahanan
yang baik terhadap segala cuaca dan biayanya yang lebih ekonomis.
3. Wadah Air Dingin (Water Basin)
Wadah air dingin dibuat dari material seng yang dipatri agar dapat
menampung air untuk menara pendingin. Tinggi wadah air ini ditentukan sebesar
0,25 m, diameter atas (D) 0,9 m, dan diameter bawah (d) 0,75 m. Sehingga
volume air maksimumnya adalah
r rR R
hvolume 2 2
3
1
0,375 0,3750,45 0,45
0,253
1 2 2
liter
m 134
134 ,
0 3
Gambar 3.9. Water Basin
3.2.6. Pemilihan sprinkler
Sprinkler yang digunakan pada menara pendingin ini dipilih dengan
mempertimbangkan aspek fungsional dan ekonomisnya secara seksama. Adapun
hasil pemilihan yang dipasang pada menara pendingin adalah sprinkler jenis
whipper dengan spesifikasi sebagai berikut:
Merk : Krisbow
No. seri : KW20-117
[image:60.595.220.402.140.347.2]Tipe spray : Melingkar
[image:60.595.151.443.483.734.2]3.2.7. Perencanaan instalasi menara pendingin
Perencanaan instalasi menara pendingin ini mencakup perencanaan sistem
perpipaan dan penempatan beberapa instrumen pengukuran untuk mendukung
maksud dan tujuan dari penelitian ini. Skema instalasi menara pendingin tersebut
[image:61.595.120.524.217.522.2]dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 3.11. Skema instalasi menara pendingin
Keterangan :
1. Fan
2. Sprinkler
3. Casing
4. Filler
5. Air Intake Mesh
6. Water Basin
7. Flow meter
8. Pompa air cooling
tower
9. Alat penukar kalor
10.Steam Generator
11.Wadah air
12.Pompa air steam
Sistem pemipaan pada menara pendingin diawali dari water basin. Pada
water basin dihubungkan pipa menuju meteran air (flowmeter). Selanjutnya pipa
dihubungkan ke pompa dan dihubungkan dengan katup yang berfungsi untuk
menentukan debit air. Setelah itu, pipa dihubungkan ke pipa tembaga (tube) pada
alat penukar kalor, kemudian dihubungkan lagi hingga pipa masuk ke dalam
[image:62.595.194.428.239.544.2]menara pendingin. Terakhir, pipa dihubungkan ke sprinkler.
Gambar 3.12. Menara pendingin yang telah selesai dirakit
3.2.8. Perencanaan bahan pengisi (filling material)
Jenis bahan pengisi yang digunakan untuk penelitian ini adalah potongan
-potongan pipa PVC Ø1 inci dengan panjang -potongan masing-masing 5 cm.
Potongan pipa tersebut disebarkan atau ditumpukkan secara acak dalam menara
pendingin dengan asumsi ketinggian rata-rata untuk satu lapis tumpukan adalah 4
cm. Untuk mendapatkan tujuan dari penelitian ini, kinerja menara pendingin diuji
Gambar 3.13. Filling material
3.3. Alat Ukur yang Digunakan
Alat ukur yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Flow meter
Flow meter digunakan untuk mengukur debit air yang bersirkulasi di
dalam menara pendingin (seperti terlihat pada Gambar 3.14). Posisi flow meter
telah dijelaskan pada instalasi menara pendingin. Spesifikasi Flow meter yang
digunakan adalah sebagai berikut.
Merk : Tokico
Water temperature : ≤ 40 °C
Water pressure : ≤ 1.0 Mpa
Max. Flow : 3 m3/h (3000 ℓ/h)
Min. Flow : 30 ℓ/h
Min. Reading : 0.001 m3
Max. Reading : 99999 m3
Gambar 3.14. Flowmeter
2. Anemometer
Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara fan pada
menara pendingin (seperti terlihat pada Gambar 3.15). Spesifikasi Anemometer
yang digunakan adalah sebagai berikut.
Nama : DigitalAnemometer
Specifications range : 0.2 m/s ~ 20.0 m/s
