Bab Ii Fix.docx

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.

Pengertian Cooling Tower Cooling tower merupakan sistem penukar panas dari fluida ke udara,

umumnya zat yang didinginkan pada sistem ini adalah fluida cair. Prinsip kerja cooling tower berdasarkan pada pelepasan kalor dan perpindahan kalor. Dalam cooling water selain terjadi perpindahan kalor tetapi juga terjadi perpindahan massa, perpindahan panas dan perpindahan massa terjadi dari air ke udara. Cooling tower menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfer sehingga, air yang tersisa didinginkan secara signifikan. Air dingin yang dihasilkan dilewatkan melalui saringan agar kotoran-kotoran atau padatan-padatan mineral tertahan dan tidak melewati alat lainnya. Fungsi utama cooling tower adalah untuk memproses air yang panas menjadi air dingin sehingga dapat digunakan kembali. (Ardani dkk, 2018). Biasanya cooling tower digunakan untuk mendinginkan air yang dialirkan pada kilang minyak, pabrik kimia, dan pusat pembangkit listrik. Menara yang digunakan bervariasi dalam ukurannya. Cooling tower beroperasi menurut prinsip difusi, dimana adanya perubahan temperatur dapat mengakibatkan perbedaan besarnya laju perpindahan massa yang terjadi. Besarnya laju perpindahan massa dipengaruhi oleh luas daerah kontak antara fluida panas dan fluida dingin. Menara pendingin dibutuhkan dalam sistem tata udara pada gedung sebagai pendingin air kondensor. Cooling tower didefinisikan sebagai alat penukar kalor yang fluida kerjanya adalah air dan udara yang fungsinya untuk mendinginkan air dengan kontak langsung dengan udara yang mengakibatkan sebagian kecil air menguap. Peranan cooling tower banyak digunakaan untuk mendinginkan air, dimana proses pendinginan dapat terjadi dengan bantuan udara luar serta kipas untuk mempercepat proses pendinginan pada cooling tower. Mendesain cooling tower biasanya menggunakan metode chart atau grafik data dan preliminary desain dalam hal estimasi size tower, cost, mechanical. Menara pendingin berfungsi untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara

3

4

mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfer. Cooling tower atau menara pendingin berfungsi untuk menyerap kalor dari air temperatur tinggi dan juga menyediakan sejumlah air yang relatif sejuk (dingin) untuk dipergunakan kembali di instalasi yang membutuhkan suatu pendingin.. Pada awalnya menara pendingin berbentuk menara kosong tanpa bahan isian. Butiran-butiran air panas dijatuhkan dari puncak menara, sedangkan udara dihembuskan dari bawah, sehingga terjadi pertukaran kalor antara air dan udara. Perpindahan kalor yang terjadi di menara lebih baik maka diperlukan media pengisi, dengan konfigurasi sedemikian rupa sehingga terjadi kontak yang baik antara air panas dengan udara sebagai media pendingin. Mekanisme perpindahan kalor utamanya adalah kalor sensibel dan kalor laten penguapan, kerugian kalor radiasi diabaikan serta prosesnya dianggap adiabatis (Johanes, 2011). Sistem operasi cooling tower berdasarkan pada penguapan dan perubahan panas sensible, sehingga campuran dua aliran fluida pada temperatur yang berbeda (air dan udara) akan melepaskan panas laten penguapan yang menyebabkan efek pendinginan ke fluida yang lebih panas dalam masalah ini air. Efek pendinginan ini dicapai dengan merubah sebagian cairan ke keadaan uap dengan melepaskan panas laten penguapan,.sehingga dapat mencapai operasi hemat biaya dan hemat energi. Ada beberapa faktor yang sangat menentukan laju perpindahan kalor dari air panas ke udara pendingin adalah waktu kontak dan luas permukaan antar fase (air dan udara). Dengan memberikan bahan isian pada menara, maka beberapa faktor di atas diperbesar . Udara panas dari compressor masuk ke cooling tower supaya temperatur air turun sehingga air yang dingin bisa digunakan kembali. .Sistem pendinginan pada mesin di industri bertujuan untuk menjaga kestabilan temperatur dan penurunan temperatur melalui proses pertukaran panas.Temperatur

pada

lingkungan

sekitar

akibat

ambient

temperature

mempengaruhi kinerja cooling tower..Hal tersebut dikarenakan pada tingkat udara tertentu yang bergerak melalui sebuah cooling tower akan mengalami perpindahan panas yang dapat terjadi dipengaruhi oleh jumlah air pada permukaan yang terkena udara..Jika udara kering pada temperatur konstant dijenuhkan dengan air pada

5

temperatur yang sama dalam suatu peralatan secara kontak langsung. Uap air akan masuk ke udara dengan membawa panas latennya. Menara pendingin menggunakan prinsip penguapan sehingga sebagian air diluapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmospheres. Air panas yang keluar 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 pengisi. Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu kondensasinya sangat rendah mendekati suhu bola basah udara. Menara pendingin atau cooling tower adalah salah satu sistem yang baik untuk ekstraksi tenaga angin. Cooling tower merupakan alat yang paling umum dan banyak digunakan oleh industri sebab cooling tower merupakan bagian dari utilitas yang banyak digunakan. Cooling tower memproses air yang panas menjadi air yang dingin yang dapat digunakan kembali dan bisa dirotasikan. Air pendingin yang telah panas kemudian didinginkan di cooling tower untuk kemudian disirkulasikan kembali ke dalam pabrik dan juga untuk menjaga kualitas air pendingin agar tetap stabil, misalnya agar tidak terdapat alga / bakteri dan pengendapan (scaling), maka perlu ada diinjeksikan beberapa jenis chemicals tertentu. 2.2.

Klasifikasi Cooling Tower 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 menjadi menara pendingin basah (wet cooling tower), menara pendingin kering (dry cooling tower), menara pendingin basah kering (wet dry cooling tower). 2.2.1. Menara Pendingin Basah (Wet 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.

6

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. Segingga menara pendingin tipe ini mempunyai tinggi yang besar dan dapat mencapai ketinggian puluhan meter. 2.2.2

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. Oleh karena itu, menara ini disebut menara pendingin kering. Semua kalor yang dikeluarkan dari air sirkulasi diubah. Menara pendingin kering dirancang khusus hanya untuk dioperasikan dalam keadaan ruangan yang tertutup. Menara pendingin kering langsung (direct dry cooling tower), Menara pendingin kering jenis ini langsung merupakan gabungan antara kondensor dan menara pendingin. Uap buangan yang berasal dari turbin dimasukkan ke kotak uap melalui talang-talang besar supaya jatuh pada tekanan yang tidak terlalu besar dan dapat terkondensasi pada waktu mengalir ke bawah melalui sejumlah besar tabung atau kumparan bersirip. Setelah uap buangan mengalir melalui tabung atau kumparan bersirip, tabung ini didinginkan dengan udara atmosfer yang mengalir di dalam atmosfer. Kondensat mengalir karena terdapat 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 terjadinya beku jika musim dingin berlangsung. Menara pendingin kering tak langsung (indirect dry cooling tower), Menara pendingin kering jenis tak langsung ini dengan menggunakan kondensor permukaan kovensional. Air sirkulasi yang keluar dari kondensor masuk melalui tabung bersirip dan didinginkan oleh udara atmosfer yang ada dalam menara pendingin. Pada jenis ini, digunakan jenis kondensor terbuka atau kondensor jet. Lalu kondensat jatuh ke dasar kondensor dan dipompakan oleh pompa resirkulasi. 2.2.3

Menara Pendingin Basah-Kering (Wet-Dry Cooling Tower)

7

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 penampungan air dingin. Sedangkan, udara ditarik dalam dua arus melalui bagian kering dan bagian basah. Lalu kedua arus tersebut menyatu dan bercampur di dalam menara pendingin sebelum keluar. 2.3.

Komponen Cooling Tower Sekat-sekat menara pendingin merupakan salah satu faktor yang

menentukan proses pendinginan dan kinerja menara pendingin, banyak menara yang terbuat dari baja yang digalvanisasi atau pada atmosfer yang korosif, menara dan dasarnya dibuat dari stainless steel. Menara yang lebih besar kadang kala terbuat dari beton, sebagian besar menara memiliki rangka berstruktur yang menunjang tutup luar wadah (casing), motor, fan, dan komponen lainnya. Rancangan yang lebih kecil, seperti unit fiber glass,,wadahnya dapat menjadi rangka..Menara yang terbuat dari kayu masih ada, namun komponen dibuat dari bahan yang berbeda, seperti wadah casing fiber glass disekitar rangka kayu, lalu saluran masuk udara louvers dari material fiber glass, dan bahan pengisi dari material plastik dan kolam air dingin dari material baja. Fiber glass juga banyak digunakan untuk wadah dan kolam menara pendingin, sebab dapat memperpanjang umur menara dan memberi perlindungan terhadap bahan kimia berbahaya. Kolam air dingin terletak pada bagian bawah menara, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi. Kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin. Dalam beberapa desain, kolam air dingin berada dibagian bawah seluruh bahan pengisi. Pada beberapa desain aliran yang berlawanan arah pada forced draft,,air di bagian bawah bahan pengisi disalurkan ke bak yang berfungsi sebagai kolam air

8

dingin..Sprinkle head, alat ini mendistribusikan air dengan cara berputar dari pipa inlet dan menyebarkannya melalui pipa yang terpasang di sisi-sisinya diatas, fsprinkle head berputar karena adanya tekanan yang diberikan pada air. Fungsi pendistribusi cairan sangatlah penting pada menara pendingin untuk menaikkan nilai karakteristiknya. Distribusi air yang seragam pada puncak bahan pengisi adalah penting untuk mendapatkan pembasahan yang benar dari seluruh permukaan bahan pengisi. Nozzle dapat dipasang dan menyemprot dengan pola bundar atau segi empat dan dapat menjadi bagian dari rakitan yang berputar seperti pada menara dengan beberapa potongan lintang yang memutar. Nozzle berada pada pipa yang dipasangkan di springkle head guna menyemprotkan air. Nozzle berguna mendistribusikan air untuk membasahi bahan pengisi. Bahan nozzle biasanya terbuat dari Polyvinyl Chloride (PVC), kuningan, dan polipropilen. Air yang berasal dari pompa ditampung di dalam basin lalu didistribusikan ke mesin-mesin untuk disirkulasi. Menara pendingin menggunakan bahan pengisi untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Bahan pengisi berbentuk percikan atau splash fill dibuat dengan palang horizontal sehingga air membelah dan menetes dari bagian fill paling atas ke bagian bawahnya secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil. Fill berfungsi sebagai media kontak air dan udara sehingga terjadi perpindahan panas, dan dapat menghambat laju aliran air. Bentuk palangnya berbeda-beda seperti narrow edge, palang bujur sangkar (square bars), rough bars, kisi-kisi (grids), terbuat dari bahan yang berbeda-beda seperti kayu, alumunium, polysterine. .Fill splash adalah media kontak air dan udara tempat terjadi perpindahan kalor. Bahan pengisi berbentuk film terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak yang berdekatan diatasnya semprotan air, membentuk lapisan film tipis dan melakukan kontak dengan udara. Menara pendingin sebagai alat penukar kalor dengan sistem terbuka fluida panas (air) melepaskan panasnya ke fluida dingin (udara) berinteraksi secara langsung dengan bantuan induced draft fan yang berfungsi menghisap udara luar secara paksa masuk kedalam menara pendingin (Homzah, 2014). Draft fan berfungsi untuk mengirim aliran udara dari atau menuju menara pendingin untuk

9

melakukan perpindahan kalor dengan air yang dilewati. Fan axial (jenis balingbaling) dan sentrifugal keduanya sering digunakan dalam menara pendingin. Umumnya fan dengan baling-baling atau propeller digunakan pada menara induced draft dan baik fan propeller dan sentrifugal dua-duanya ditemukan dalam menara forced draft. Tergantung pada ukurannya, jenis fan propeller yang digunakan sudah harus dipasang secara tetap atau dapat diubah-ubah atau dapat diatur. Bahan yang digunakan untuk fan adalah bahan dari alumunium, bahan dari fiber glass dan bahan dari baja yang digalvanisasi celup panas. Sebuah fan dengan baling-baling yang dapat diatur secara tidak otomatis dapat digunakan diatas range yang cukup luas sebab fan dapat disesuaikan untuk mengirim aliran udara yang dikehendaki pada pemakaian tenaga yang paling rendah. Baling-baling yang dapat diatur secara otomatis dapat digunakan untuk beragam aliran udaranya dalam rangka merespon perubahan kondisi beban. 2.4.

Prinsip kerja cooling tower Konstruksi Cooling tower terdiri dari sistem pemipaan dengan banyak noo-

zle, fan / blower, bak penampungan, casing, dan sebagainya. Proses yang terjadi pada chiller atau unit pendingin sentral dengan sistem kompresi uap terdiri dari proses kompresi, kondensasi, ekspansi dan evaporasi. Proses ini terjadi dalam satu siklus tertutup yang menggunakan fluida kerja berupa refrigerant yang mengalir dalam sistem pemipaan yang terhubung dari satu komponen ke komponen lainnya. Kondensor pada chiller biasanya berbentuk water cooled condenser yang menggunakan air untuk proses pendinginan refrigeran. Kondensor secara umum bentuk konstruksinya berupa shelli dan tube dimana air mengalir memasuki shell/ tabung dan uap refrigeran super heat mengalir dalam pipa yang berada di dalam tabung sehingga dapat terjadi proses pertukaran kalor. Karena air ini akan digunakan lagi untuk proses pendinginan kondensor, maka air pendingin ini temperaturnya harus diturunkan atau didinginkan pada cooling tower. Mula-mula air panas dipompakan menuju cooling tower melewati sistem pemipaan yang pada ujungnya memiliki banyak nozzle untuk tahap spraying atau tahap semburan. Air panas yang keluar dari nozzle secara langsung melakukan kontak dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena dipengaruhi oleh

10

fan / blower yang terpasang pada cooling tower. Penggunaan sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air. Hal ini disebabkan karena temperatur kondensasinya sangat rendah dan sangat mendekati suhu wet bulb pada udara. Selama proses pendinginan di dalam menara pendingin sejumlah air pendingin mengalami penguapan, sehingga laju aliran massa air pendingin berkurang. Air yang hilang akibat penguapan akan digantikan oleh air penambah atau makeup water. Ketika air sudah mengalami penurunan temperatur, air tersebut ditampung dalam bak / basin untuk kemudian dipompakan kembali menuju kondensor yang berada di dalam chiller menara pendingin. Pada cooling tower juga dipasang katup make up water yang dihubungkan ke sumber air terdekat untuk menambah kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air ketika proses evaporative cooling tersebut. Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range dan approach, dimana range adalah penurunan suhu air yang melewati cooling tower dan approach adalah selisih antara suhu pada udara, wet bulb pada udara dan suhu air yang keluar. Perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower berlangsung dari air ke udara tak jenuh. Ada dua penyebab terjadinya perpindahan kalor yaitu perbedaan suhu dan perbedaan tekanan parsial antara air dan udara. Suhu pengembunan yang rendah pada cooling tower membuat sistem ini lebih hemat energi jika digunakan untuk sistem refrigerasi pada skala besar seperti chiller. Salah satu kekurangannya adalah bahwa sistem ini tidak praktis karena jarak yang jauh antara chiller dan cooling tower sehingga memerlukan sistem pemipaan yang relatif panjang. Selain itu, juga biaya perawatan cooling tower cukup tinggi dibandingkan sistem refrigrasi. 2.5.

Masalah Pada Cooling Tower Penggunaan alat yang kontinyu pada setiap industri kimia tentu saja dapat

menyebabkan masalah-masalah yang tidak bisa kita hindari namun bisa kita cegah, sehingga diperlukan beberapa treatment khusus termasuk pada menara pendingin atau cooling tower. Masalah yang mempunyai potensi untuk muncul dalam sistem pendinginan menara pendingin biasanya korosi, kerak dan pertumbuhan mikrobiologi seperti pertumbuhan jamur dan lumut.

11

2.5.1. Korosi Proses elektrokimia, proses anodik yang terjadi dalam sistem dimana beda potensial metal dan keberadaan oksigen yang terlarut dalam media akan membentuk radikal bebas yang sangat reaktif terhadap besi disebut korosi. Kondisi yang seperti ini akan diperparah oleh keberadaan suatu chemical lain yang terlarut dalam media. Media yang digunakan pada menara pendingin adalah air. 2.5.2. Kerak Endapan yang melekat dalam sistem perpindahan panas adalah kerak. Material endapan yang terlarut dalam air secara spesifik dikenal sebagai hardness. Material ini akan membentuk kerak bila konsentrasinya tinggi dan atau temperatur yang cukup tinggi. Semakin tebal kerak yang terbentuk dalam sistem pendingin, maka efisiensi cooling tower akan semain kecil dan bila dibiarkan tanpa kontrol maka saluran air pendingin akan menjadi buntu. 2.5.3. Mikroorganisme Sistem pendingin air, biasanya menggunakan sirkulasi dimana kontak dengan udara adalah hal yang paling utama dalam transfer panas. Normalnya, mikroorganisme yang berkembang baik dalam cooling tower antara lain adalah algae (ganggang), fungi (jamur ragi dan kapang) dan bakteri. Adakalanya lumpur dan mikroorganisme bersinergi membentuk endapan tebal pada permukaan basin cooling tower, hal ini dapat menghambat proses pendinginan dalam tower. Organisme mikrobiologi masuk ke sistem cooling tower melalui air makeup water dan partikel udara yang terkontak dalam cooling tower. Untuk mengontrol secara efektif pertumbuhan mikroorganisme di air pendingin, pengolahan air secara kimia dan fisika adalah metode yang tepat digunakan. Mikroorganisme dihambat dengan memberikan chemical yang dapat menghambat pertumbuhan mikroorganisme. 2.6.

Penelitian Terkait Penelitian terdahulu yang berkaitan dengan penelitian ini adalah penelitian

Johanes.

(2011) yang berjudul Komparasi Karakteristik Menara Pendingin

Menggunakan Beberapa Tipe Susunan Pipa-Pipa Sebagai Pendistribusian Cairan, menyatakan bahwa karakteristik menara pendingin dan efektivitas perpindahan kalor mengalami penurunan dengan naiknya rasio laju aliran air/udara, pada rasio

12

laju aliran air/udara yang rendah, nilai karakteristik menara pendingin dengan bagian dalam yang diberi pendistribusi cairan bisa mencapai dua kali lebih besar (bahkan lebih dari tiga kali) nilai karakteristik menara pendingin tanpa pendistribusi cairan. Menara pendingin dengan pendistribusi cairan, nilai NTU rerata

31,5% dan efesiensi rerata 25,0%. Penelitian terdahulu yang berkaitan dengan penelitian ini adalah penelitian Ardani dkk. (2018) yang berjudul Pengaruh Sudut Alur Sekat Terhadap Unjuk Kerja Menara Pendingin (Cooling Tower), terdapat

dua faktor yang sangat

menentukan laju perpindahan kalor dari air panas ke udara pendingin yakni waktu kontak dan luas permukaan antar fase (air dan udara). Dua faktor ini dapat diperbesar dengan memberikan bahan isian membentuk sekat-sekat dipasang di dalam menara pendingin merupakan salah satu faktor yang menentukan proses pendinginan dan kinerja menara pendingin. Alur sekat akan mempengaruhi luas bidang kontak dan aliran tetes air. Hal ini akan mempengaruhi kontak air dengan udara pendingin sehingga akan berpengaruh terhadap proses pendinginan air. Sudut alur sekat berpengaruh terhadap unjuk kerja menara pendingin. Semakin besar sudut alur sekat maka beda suhu cenderung berkurang, laju perpindahan panas cenderung semakin kecil, dan efisiensi cenderung menurun. Penelitian terdahulu yang berkaitan dengan penelitian ini adalah penelitian Homzah. (2014) yang berjudul Analisa Performasi Pada Menara Pendingin Dengan Menggunakan Analisis Eksergi, kinerja dari menara pendingin dapat diketahui dengan menggunakan metode analisis eksergi. Neraca eksergi dalam sistem menara pendingin adalah jumlah eksergi masuk dan daya fan harus sama dengan eksergi keluar dan kerugian eksergi. Dari hasil penelitian di dapat pada pukul 21:00 irreversibilitas terendah dan pukul 15.00 irrevesibilitas tertinggi yaitu sebesar 614,09 kW dan 731,202 kW. Nilai efisiensi eksergi diketahui antara 41,12% sampai 59,04%. Sehingga temperatur lingkungan adalah yang paling mempengaruhi nilai efesiensi eksergi