3. PERENCANAAN MENARA PENDINGIN

3.1. Jenis Menara Pendingin

Gambar 3.1. Konstruksi Menara Pendingin

Menara pendingin jenis induced draft counterflow memiliki fan yang ada di bagian atas dari konstruksi menara. Udara ditarik keatas melawan arah air yang jatuh dari atas serta melewati sejumlah packing. Menara pendingin jenis counterflow memiliki beberapa keuntungan, yaitu:

• Tidak memerlukan luasan tanah yang luas seperti pada jenis menara pendingin tipe atmosferik

• Menara pendingin tipe counterflow memiliki efesiensi perpindahan panas yang baik karena air pada bagian bawah dari menara mempunyai temperatur yang lebih rendah mengalami kontak dengan udara kering yang

masuk ke menara sehingga udara yang memiliki kelembaban yang tinggi pada bagian atas dari menara bertemu dengan air yang memiliki temperatur yang lebih tinggi

• Menara pendingin jenis crossflow membutuhkan daya motor yang lebih besar untuk menggerakkan fan dibandingkan dengan menara pendingin jenis counterflow

• Untuk menara pendingin jenis mechanical tipe counterflow memiliki bentuk yang sederhana dibandingkan dengan menara pendingin jenis crossflow dengan bentuk menara yang sederhana dari tipe counterflow maka biaya awal pembuatan relativ lebih murah jika dibandingkan dengan jenis crossflow

Dengan pertimbangan-pertimbangan di atas maka dipilih menara pendingin tipe mechanical induced draft jenis counterflow.

3.2. Perhitungan Nilai Karakteristik Menara Pendingin Tipe Mechanical Draft Counterflow

Adapun data kondisi air masuk dan keluar serta udara masuk dan keluar adalah sebagai berikut:

Kondisi air:

• Temperatur masuk menara pendingin = 95^oF

• Temperatur keluar menara pendingin = 85^oF

• Debit air yang disirkulasikan = 58 Gpm = 3480 Gph

• Laju aliran massa air = debit air X densitas = 3480 X 8,33 = 29000 ^lbm/jam

Kondisi udara:

• Temperatur bola kering (Tdb) = 89^oF

• Temperatur bola basah (Twb) = 80^oF Sedangkan besarnya prestasi cooling tower:

• Range = 95-85 = 10^oF

• Approach = 85-80 = 5^oF

Dari data perencanaan, jumlah massa udara rata-rata per jam satuan luas penampang G atau rasio

G

L tidak diketahui. Untuk menara pendingin tipe mechanical draft, aliran udara rata-rata, G adalah konstan. Hal ini dikarenakan aliran udara yang terjadi dikendalikan oleh adanya fan, yang menarik udara keluar dari menara pendingin yang terdapat di dalam menara pendingin.

Umumnya dalam perencanaan cooling tower tipe mechanical draft, rasio G

L

antara 0.75-1,5 dan nilai karakteristik cooling tower ( L

A K_G

) antara 0,5 sampai 2,5.

Selanjutnya menentukan temperatur udara keluar dari cooling tower. Pengujian performansi dari sejumlah cooling tower menunjukkan bahwa pendekatan yang baik untuk temperatur udara keluar adalah rata-rata temperatur air yang masuk dan temperatur air yang keluar dari cooling tower.



 



 +

= 2

, ,

, in out

out a

ti t ti

F

t_aout 90^o

2 85 95

, =



 



 +

=

Dari tabel udara basah (lampiran 2) diperoleh enthalpy udara masuk keluar.

Temperatur wet bulb udara yaitu 80^oF sehingga enthalpy udara masuk adalah:

ha,in = 43,69 ^BTU/lbm

Temperatur udara keluar yaitu 91^oF sehingga enthalpi udara keluar adalah:

ha,out = 55,93 ^BTU/lbm

Didapat harga rasio adalah :

) , , (

, ,

out in p

in out

ti ti C

ha ha

G L

−

= −

941 , ) 0 85 95 ( 1

69 , 43 1 ,

53 =

−

= − G

L

941 , 0 29000 941

,

0 =

= L G

Maka harga G = 30818,3 ^lb/jam

Dimana harga G

L di atas masih di antara 0,75 - 1,5 (memenuhi

persyaratan).Setelah harga G

L diketahui maka dapat diketahui harga L

A K_G

dengan menggunakan diagram Merkel seperti pada gambar 3.1.

Untuk harga cooling range 9^oF serta temperatur air yang keluar dari menara pendingin yang telah diketahui 85^oF diplotkan pada grafik nomogram sehingga bertemu pada sebuah titik. Dari titik yang pertama tadi ditarik garis lurus menuju pada temperatur wet bulb. Kemudian dari harga

G

L yang telah diketahui

dihubungkan dengan garis yang sejajar dengan garis original tadi sehingga akan didapatkan harga

L A K_G

.

Harga L

A K_G

yang di dapat dari perhitungan di atas adalah 1,18. Besarnya harga tersebut masih berada di dalam batas yang disyaratkan (0,5-2,5) di mana masih memungkinkan menara pendingin tersebut dapat mendinginkan air pada kondisi yang telah diketahui.

Gambar 3.2. Diagram Karakteristik Menara Pendingin

3.3. PERENCANAAN MENARA PENDINGIN 3.3.1. Perencanaan Packing

Seperti terlihat pada lampiran 1 packing tipe I dipilih dalam perencanaan ini dengan pertimbangan bahwa tipe ini mempunyai nilai perpindahan panas dan massa yang baik serta bahan yang direncanakan adalah dari kayu. Tipe packing ini termasuk di dalam jenis packing splash bar. Susunan packing jenis ini di desain untuk memperluas permukaan perpindahan panas dan massa yang besar dengan membentuk butiran-butiran air yang kecil. Untuk menempatkan susunan packing ini di dalam menara pendingin diperlukan ruang yang cukup untuk air dan udara bersinggungan.

3.3.2. Menentukan jumlah packing

Harga dari packing factor A’ dan n’ dapat dilihat pada tabel 2.1.Sesuai dengan tipe packing yang dipilih yaitu :

Untuk tipe I didapatkan harga A’ dan n’ adalah : A’ = 0,135 dan n’ = 0,57

n G

G A L

L A K

N ₋



 





−



 





=

'

07 , 0

(

^0,941

)

^0,57

135 , 0

07 , 0 18 , 1

−

= − N

≈

= 367,

N 8 deck

3.3.3. Menentukan Tinggi Packing

Untuk mendapatkan tinggi packing (H) yaitu :

12

). 1 1 (N S

H = −

12

. 1 24 ).

1 8 ( −

= H

H 14= ft

Dimana: S = vertical spacing

3.3.4. Menentukan luasan tanah

Sehingga untuk mendapatkan harga G’ dapat dilakukan interpolasi di antara harga-harga tersebut di atas.

40 12

1400 2000 40

14 1400 '

−

= −

−

− G

G’ = 1946 ^lbm/jam.ft2

Dengan diketahuinya harga perbandingan G

L = 0,941 maka laju massa air per jam per satuan luas penampang menara (L’) (^lbm/jam.ft2)adalah:

G X L G L'= '

941 , 0 1946

' X

L =

. 2

186 , 1831

' lbm jam ft

L =

Sehingga luasan tanah yang diperlukan adalah:

' L S_T = L

8 2

, 186 15 , 1831

29000 ft

S_T = =

Dari luas tanah yang di dapat di atas maka direncanakan menara pendingin dengan bentuk bujur sangkar dengan panjang sisi –sisinya 3 ft.

3.3.5. Menghitung Pressure Loss

3.3.5.1. Menentukan Pressure Loss Pada Packing

Harga faktor-faktor B dan C serta vertical free fall (SF) dapat dicari pada tabel 2.1 sesuai dengan tipe yang dipakai. Sedangkan harga equivalent pressure loss air mass flow (GE) dapat diketahui dari gambar 3.2 berikut ini.

Gambar 3.3. Grafik Equivalent Pressure Air Mass Flow terhadap Countercurrent Air Mass Flow

Harga G’ untuk menara pendingin ini adalah 1946 ^lbm/jam.ft2 sedangkan dari tabel 2.1 didapatkan harga SF adalah 4,5 ft maka dengan menggunakan gambar 3.2 di atas akan didapatkan harga equivalent pressure loss air mass flow adalah 4700.

Dari tabel 2.1 akan didapatkan juga harga–harga konstanta persamaan pressure drop untuk menara pendingin (B dan C) yaitu:

C = 0,16 . 10^-12 B = 0,52 . 10^-8 SF = 4,5 feet

Jadi pressure loss pada packing adalah:









 + 











= 

∆

g E

F g

G L S C N G

B N

P ρ ρ

0675 , ) 0 ).(

' .(

0675 . , ) 0 ' .(

. ^{2 2}





+

 

= 

∆ ^{− −}

068 , 0

0675 , ) 0 4700 ).(

186 , 1831 .(

5 , 4 10 . 16 , 0 . 068 8 , 0

0675 , 1946 0 . 10 . 52 , 0 .

8 ^{8 2 12 2}

P

265 , 0 109 , 0 156 ,

0 + =

=

∆P

3.3.5.2. Menetukan pressure loss pada louvers

Direncanakan menara pendingin menempati luasan dengan penampang bujur sangkar dengan panjang sisi–sisinya adalah 3 ft. Tinggi bidang muka louvers direncanakan 1 ft.

Sehingga luas bidang muka total dari louvers untuk penampang bujur sangkar adalah: S1 = 4 X 3 X 1 = 12 ft²

Harga 0,76

8 , 15

1 = 12 =

ST

S masih dalam batas persyaratan (0,14-1).

Sebelum menentukan pressure loss yang terjadi pada louvers, perlu dicari lebih dahulu kecepatan udara yang melalui luasan bidang muka dari louvers (face velocity). Kemudian dengan menggunakan gambar 3.3 dapat ditentukan pressure loss yang terjadi pada louvers.

Laju aliran volume udara yang terjadi pada bidang muka louvers adalah:

60 ρ. V&_udara = G

menit

V_udara 7553,5ft³

60 . 068 , 0

3 30818 =,

& =

Kecepatan udara yang melalui bidang muka louvers adalah:

S1

v_udara = V&

menit

v_udara 629,46 ft

12 5 7553 =,

=

Jadi pressure drop pada louvers adalah:

400 1600

02 , 0 32 , 0 400 46 , 629

02 , 0

−

= −

−

−

∆P_L

PL

∆ = 0,077 Inch air

Gambar 3.4. Pressure loss pada louvers

3.3.5.3. Menentukan pressure loss pada eliminator

Untuk densitas yang berbeda dengan 0,0675 perlu diadakan penyesuaian sebagai berikut:

Untuk G’ = 800 ^lbm/jam.ft2 kecepatan udara (v udara) adalah:

menit ft

v_udara x 197,53

60 0675 , 0

800 =

=

Untuk G’ = 2000 ^lbm/jam.ft2 kecepatan udara (v udara) adalah:

menit ft

v_udara x 493,827

60 0675 , 0

2000 =

=

Kondisi udara keluar adalah jenuh pada temperatur 90^oF dengan densitas udara adalah 0,069. Harga G’ ada lah 1871,428. Maka kecepatan udara pada kondisi ini adalah:

menit ft

v_udara x 470,05

60 069 , 0

1946 =

=

Sehingga harga pressure loss pada kecepatan 452,036 ^ft/menit untuk densitas udara 0,069 adalah:

PE

∆

−

= −

−

−

07 , 0

01 , 0 07 , 0 05 , 470 827 , 493

53 , 197 827 , 493

=

∆P 0,065 inch air

Untuk densitas udara 0,069 didapatkan pressure loss adalah:

=

∆P 0,065 inch air

3.3.5.4. Menentukan pressure loss total

E L P

total P P P

P =∆ +∆ +∆

∆

065 , 0 077 , 0 265 ,

0 + +

=

∆P_total

air inch P_total =0,407

∆

3.3.6. Perhitungan Diameter Fan 60

, ρ.

V_{f i} = G

03 min , 60 7444 . 069 , 0

3 ,

30818 ³

, ft

V_{f i} = =

, 2

14 , 1800 4

03 ,

7444 ft

v A V

f i f

f = = =

Sehingga : ²

1

. ,

4 



 



= π

i f f

D A

D_f 4.4,14²¹ =2,3≈3ft



= π

Bahan yang direncanakan untuk fan adalah terbuat dari tembaga. Karena tembaga tahan terhadap korosi air laut .

Jenis fan yang dipilih adalah fan dengan tipe propeller karena tipe ini memiliki kelebihan yaitu:

• Mampu menggerakkan volume udara dalam jumlah yang besar

• Tidak menimbulkan kebisingan pada waktu beroperasi

• Relatif lebih murah dibanding dengan jenis centrifugal

3.3.7. Menghitung Daya Fan

Daya yang dibutuhkan motor penggerak fan adalah:

6356.0,5

,. PT BHP V^{f i} ∆

=

6356.0,5

407 , 0 03 , 7444 x BHP=

BHP=0,953=1HP

Jadi motor listrik yang digunakan harus mempunyai daya 1 Hp.

3.3.8. Sistem Distribusi Air

Sistem Distribusi Air tipe grafitasi tidak menggunakan nozzle seperti pada system distribusi tipe spray. Sistem distribusi gravitasi memiliki beberapa kelebihan, yaitu:

• Mudah dalam perawatannya serta biaya yang dikeluarkan untuk perawatan kecil

• Memiliki bentuk yang sederhana dan mudah

Tipe yang dipilih dalam perencanaan ini adalah tipe gravitasi.

3.3.9. Drift Eliminator

Dalam perencanaan ini tipe dari eliminator yang dipilih adalah scheme nomor 8, dimana tipe ini mempunyai efek carryover yang rendah.

Bahan yang direncanakan untuk drift eliminator adalah terbuat dari kayu dengan ketebalan minimum dari kayu adalah 0,5 inch

3.3.10. Make Up Water

Kebutuhan air tambahan untuk menggantikan sejumlah air yang hilang di dalam menara pendingin (M) akibat adanya proses penguapan diasumsikan adalah 1,25% dari debit air yang disirkulasikan di dalam menara pendingin.

ikan disirkulas yang

air xdebit

M 100

25 ,

=1

menit x L

M 15,324 0,19155 100

25 ,

1 =

=

3.4. Menara Pendingin Yang Akan Digunakan

Setelah proses perhitungan dan perencanaan pembuatan menara pendingin, ditemukan bahwa dimensi menara pendingin hasil perhitungan dan perencanaan tidak sesuai dengan dimensi menara pendingin yang ada di pasaran. Hal ini disebabkan perbedaan material antara cooling tower model lama dengan cooling tower yang ada di pasaran sekarang ini. Sebagaimana diketahui, sebagian besar dari material menara pendingin model lama adalah kayu, sedangkan sebagian besar menara pendingin yang ada di pasaran terbuat dari fiber dan plastik.

Konstruksi dan bentuk packing dari menara pendingin modern juga menghasilkan perpindahan panas antara air dan udara yang lebih baik, hal ini disebabkan oleh bentuk packing modern yang corrugated sehingga luasan permukaan perpindahan panas menjadi semakin luas. Selain itu, masalah harga juga menjadi sebuah kendala dalam perealisasian dan pembuatan menara pendingin ini.

Oleh karena itu, dengan memandang sisi ekonomis dan keefektifan, maka diputuskan penelitian akan dilanjutkan dengan menggunakan menara pendingin yang sudah dimiliki oleh pihak jurusan Teknik Mesin, tepatnya menara pendingin Liang Chi Tipe LBC 30 pada Laboratorium Motor Bakar Jurusan Teknik Mesin, Petra.

Gambar 3.5. Menara Pendingin yang akan digunakan (SKALA 1:10)