bab ii(dasar teori)
TRANSCRIPT
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================BAB II
DASAR TEORI
2.1 Cooling Tower
Cooling tower merupakan suatu perangkat yang digunakan untuk
menurunkan suhu aliran uap sisa atau uap yang telah digunakan untuk
memutar turbin dengan cara mengontakkan uap panas dari proses dengan
air dingin, dengan pertemuan tersebut terjadilah pertukaran panas. Cooling
tower menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran
udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai
akibatnya, air yang panas akan berkurang.
Gambar 2.1 Diagram Skematik Sistem Cooling Tower
5
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================2.1.1 Komponen Menara Pendingin
Komponen dasar sebuah cooling tower meliputi rangka dan
wadah, bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk
udara, louvers, nosel dan fan.
1. Rangka dan Wadah, hampir semua menara memiliki rangka
berstruktur yang menunjang tutup luar (wadah/casing), motor fan, dan
komponen lainnya. Dengan rancangan yang lebih kecil, seperti unit
fiber glass, wadahnya dapat menjadi rangka.
2. Bahan Pengisi (fill), hampir seluruh cooling tower menggunakan
bahan pengisi (terbuat dari plastik atau kayu) untuk memfasilitasi
perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air.
3. Kolam Air Dingin (Cold-Water Basin), terletak pada atau dekat
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 di bagian bawah seluruh
bahan pengisi. Pada beberapa desain aliran yang berlawanan arah pada
forced draft, air di bagian bawah bahan pengisi disalurkan ke bak
yang berbentuk lingkaran yang berfungsi sebagai kolam air dingin.
Sudu-sudu fan dipasang di bawah bahan pengisi untuk meniup udara
naik melalui menara. Dengan desain ini, menara dipasang pada
landasannya, memberikan kemudahan akses bagi fan dan motornya.
4. Drift Eliminators, alat ini menangkap tetes-tetes air yang terjebak
dalam aliran udara supaya tidak hilang keatmosfir.
5. Air inlet (saluran udara masuk), ini merupakan titik masuk bagi udara
menuju menara. Saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara
(desain aliran melintang) atau berada di bagian bawah menara (desain
aliran berlawanan arah).6
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================6. Louvers, pada umumnya menara dengan aliran silang memiliki
saluran masuk louvers. Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan
aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara.
Beberapa desain menara aliran berlawanan arah tidak memerlukan
louvers.
7. Nosel, alat ini menyemprotkan air untuk membasahi bahan pengisi.
Distribusi air yang seragam pada puncak bahan pengisi adalah penting
untuk mendapatkan pembasahan yang benar dari seluruh permukaan
bahan pengisi. Nosel dapat dipasang dan menyemprot dengan pola
bundar atau segi empat, atau dapat menjadi bagian dari rakitan yang
berputar seperti pada menara dengan beberapa potongan lintang yang
memutar.
8. Fan, fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya
digunakan dalam menara. Umumnya fan dengan
baling-baling/propeller digunakan pada menara induced draft dan baik
fan propeller dan sentrifugal dua-duanya ditemukan dalam menara
forced draft. Tergantung pada keukurannya, jenis fan propeller yang
digunakan sudah dipasang tetap atau dengan dapa diubah-ubah /
diatur. Sebuah fan dengan baling-baling yang dapat diatur tidak secara
otomatis dapat digunakan di atas range yang cukup luas sebab fan
dapat disesuaikan untuk mengirim udara yang dikehendaki pada
pemakaian tenaga terendah. Baling-baling yang dapat diatur secara
otomatis dapat beragam aliran udaranya dalam rangka merespon
perubahan kondisi beban.
Besarnya kemampuan transfer panas yang terjadi di dalam cooling
tower tergantung pada beberapa faktor seperti:
a. perbedaan suhu air masuk dan suhu wet bulb temperature udara
b. luas permukaan air yang kontak secara langsung dengan udara
7
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================c. kecepatan relatif antara udara dan air
d. waktu terjadinya kontak antara air dan udara.
2.2 Motor Induksi 3 Fasa Fan Blower pada Cooling Tower
2.2.1 Pendahuluan
Motor induksi merupakan motor yang banyak ditemukan di
berbagai industri karena rancangannya sederhana, mudah didapatkan dan
langsung bisa disambungkan dengan sumber daya AC. Fan blower pada
cooling tower menggunakan motor induksi tiga fasa yang akan beroperasi
jika stator dicatu oleh sumber sehingga menghasilkan medan magnet.
Medan magnet ini berputar dengan kecepatan sinkron sesuai
dengan frekuensi listrik yang diberikan ke stator dan medan magnet ini
berinteraksi dengan kumparan yang ada di rotor. Induksi yang diberikan
medan magnet stator menghasilkan arus di rotor, dan kemudian arus yang
mengalir di kumparan rotor juga menghasilkan medan magnet kedua.
Interaksi antara medan magnet utama dari stator dan medan magnet rotor
mengakibatkan rotor berputar.
Walaupun begitu, rotor tidak akan pernah mampu menyamai
kecepatan putar medan magnet di stator karena pada prinsipnya arus yang
mengalir di rotor merupakan hasil induksi dari medan magnet stator, beda
halnya dengan motor yang dicatu terpisah bagian rotornya sehingga dapat
mengunci atau sinkron kecepatan putar medan magnet statornya dengan
kecepatan motor. Sehingga motor induksi ini juga disebut motor asinkron.
Terjadinya perbedaan antara kecepatan putar medan stator dan
kecepatan rotor sering disebut slip. Jika dilihat dari segi matematisnya slip
dapat dihitung dengan:
% Slip = Ns−Nb
Ns x 100%
8
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================dimana, Ns : kecepatan medan putar stator
Nb: kecepatan putar rotor
2.2.2 Prinsip Kerja Motor Induksi
Motor induksi adalah mesin listrik yang mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik. Listrik yang diubah adalah listrik 3 fasa. Motor
induksi sering juga disebut motor tidak serempak atau motor asinkron.
Prinsip kerja motor induksi dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Motor Induksi
Ketika tegangan fasa U masuk ke belitan stator menjadi kutub S,
garis-garis gaya magnet mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub
lainnya adalah N untuk fasa V dan fasa W. Kompas akan saling tarik-
menarik dengan utub S.
Berikutnya kutub S pindah k fasa V, kompas berputar 1200,
dilanjutkan kutub S pindah ke fasa W, sehingga pada belitan stator timbul
medan magnet putar. Buktinya kompas akan memutar lagi menjadi 2400.
Kejadian berlangsung silih berganti membentuk medan magnet putar
sehingga kompas berputar dalam satu putaran penuh, proses ini
berlangsung terus menerus. Dalam motor induksi kompas digantikan oleh
rotor sangkar yang akan berputar pada porosnya. Karena ada perbedaan
9
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================putaran antara medan putar stator dengan putaran rotor, maka disebut
motor induksi tidak serempak atau motor asinkron.
Gambar 2.3 Bentuk Gelombang Sinusoida dan Timbulnya Medan Putar
pada Stator Motor Induksi
2.2.3 Konstruksi Motor Induksi
Konstruksi motor induksi secara detail terdiri atas dua bagian,
yaitu: bagian stator dan bagian rotor. Stator adalah bagian motor yang
diam terdiri dari badan motor, inti satator, belitan stator, bearing, dan
terminal box. Bagian rotor adalah bagian motor yang berputar, terdiri dari
rotor sangkar dan poros rotor. Konstruksi motor induksi tidak ada bagian
rotor yang bersentuhan dengan bagian stator, karena dalam motor induksi
tidak digunakan komutator atau sikat arang.
Konstruksi motor induksi lebih sederhana dibandngkan motor DC,
dikarenakan tidak ada komutator atau sikat arang. Sehingga pemeliharaan
motor induksi hanya bagian mekanik saja, dan konstruksinya yang
sederhana menjadikan motor induksi sangat handal dan jarang sekali rusak
secara elektrik. Bagian motor induksi yang perlu dipelihara rutin adalah
pelumasan bearing, dan pemeriksaan kekencangan baut-baut kabel pada
terminal box karena kendor atau bahkan lepas akibat pengaruh getaran
secara terus menerus.
10
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================
Gambar 2.4 Gambar Outline Cooling Tower Fan Motor
2.2.4 Hubungan Antara Beban, Kecepatan dan Torque
Gambar 2.4 menunjukkan grafik torque-kecepatan motor induksi
AC tiga fasa dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor mulai
menyala ternyata terdapat arus awal yang tinggi dan torque yang rendah
(pull-up torque). Setelah mencapai 80% kecepatan penuh, torque berada
pada tingkat tertinggi (pull-out torque) dan arus mulai turun. Dan ketika
kecepatan penuh, atau kecepatan mendekati sinkron, arus torque dan stator
turun ke nol.
11
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================
Gambar 2.5 Grafik Torque-Kecepatan Motor Induksi
AC Tiga Fasa Dengan Arus
Torsi awal terjadi saat motor pertama kali dijalankan (slip 1.0),torsi
pull-up terjadi saat slip 0.7, torsi maksimum terjadi slip 0.2 dan torsi kerja
berada ketika slip 0.05. Torsi beban harus lebih kecil dari torsi motor. Bila
torsi beban lebih besar dari torsi motor, akibatnya motor dalam kondisi
kelebihan beban dan berakibat belitan stator terbakar. Untuk mengatasi
kondisi beban berlebih dalam rangkaian kontrol dilengkapi dengan
pengaman beban lebih disebut thermal overload, yang dipasang dengan
kontaktor.
Karakteristik torsi juga bisa disajikan dalam bentuk lain,kita kenal
karakteristik putaran = fungsi torsi, n = f (torsi). Gambar 2.5, garis vertikal
menunjukkan parameter putaran, garis horizontal menunjukkan parameter
torsi. Ketika motor berputar pada garis n’ didapatkan torsi di titik M’.
Ketika putaran berada di nn didapatkan torsi motor di Mn. Daerah kerja
putaran motor induksi berada pada area n’ dan nn sehingga torsi kerja
12
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================motor induksi juga berada pada area M’ dan Mn. Berdasarkan grafik n =
fungsi (torsi) dapat disimpulkan ketika putaran rotor turun dari n’ ke nn
pada torsi justru terjadi peningkatan dari M’ ke Mn.
Gambar 2.6 Karakteristik Putaran Fungsi Torsi Beban
Karakteristik motor induksi lainnya dapat dilihat pada Gambar 2.6
mencakup parameter efisiensi, faktor kerja, ratio arus, dan ratio putaran.
Dengan membaca karakteristik motor induksi dapat diketahui setiap
parameter yang dibutuhkan. Saat torsi mencapai 100% dapat dibaca ratio
arus I/Io = 1; faktor kerja cosφ = 0.8; efisiensi motor 0.85; dan putaran n/ns
= 0.92.
Gambar 2.7 Karakteristik Parameter Efisiensi, Putaran, Faktor Kerja, dan
Arus Beban.
13
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================2.2.5 Spesifikasi Motor P-400-M A, B, C & D
Pada nameplate yang tertera pada motor menunjukkan spesifikasi
motor induksi tiga fasa dengan jenis rotor sequirrel cage (sangkar tupai)
adalah sebagai berikut:
Output : 186 kW
Frequency/phase : 50Hz / 3phase
Full load speed : 1484 rpm
Rated voltage : 380 volt
L.R. Amperes (I starting) : 2074.8 A (3000 A)
Rated Current (In) : 345.8 A
Lock rotor test : 27.40 A,
Power : 11.88 kW
Connection : Delta
Insulation class : F
2.3 Kabel
2.3.1 Konduktor dan Isolator
Kabel merupakan salah satu bagian penting dalam instalasi listrik.
Kabel digunakan sebagai penghantar arus dari sumber ke beban-beban
terpasang, selain berguna sebagai bahan penghantar kabel juga harus
memiliki kemampuan sebagai isolator yang baik.
Sebagai bahan penghantar digunakan tembaga atau alumunium.
Tembaga yang digunakan merupakan tembaga elektroms, dengan
kemurnian sekurang-kurangnya 99%. Luas penampang hantaran tembaga
telah dibakukan secara internasional. Alumunium yang dipakai pada kabel
14
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================berisolasi haruslah alumunium murni, umumnya digunakan dengan
sekurang-kurangnya 99.5%.
Kabel power merupakan media untuk menyalurkan energi listrik.
Sebuah kabel listrik terdiri dari isolator dan konduktor. Isolator merupakan
bahan yang membungkus kabel yang biasanya terbuat dari karet atau
plastik, sedangkan konduktornya terbuat dari serabut tembaga ataupun
tembaga pejal.
Konduktor (inti) kabel biasanya terbuat dari bahan tembaga, baja,
dan alumunium. Dalam kabel-kabel PVC terdapat penghantar-penghantar
concentric yang berfungsi sebagai kawat netral yang digroundkan atau
penghantar pengaman (PE dan PEN) dan juga sebagai pengaman kejut.
Penghantar-penghantar concentric biasanya terletak dibawah selubung
plastik kabel PVC, untuk melindungi dari akibat pengaruh lingkungan.
Kemampuan hantar sebuah kabel listrik ditentukan oleh KHA
(kemampuan hantar arus) yang dimilikinya, sebab parameter hantaran
listrik ditentukan dalam satuan Ampere. Kemampuan hantar arus
ditentukan oleh luas penampang konduktor yang berada dalam kabel
listrik, adapun ketentuan mengenai KHA kabel listrik diatur dalam
spesifikasi.
Sedangkan bahan isolasi harus memenuhi sifat-sifat dielektris
seperti:
1. Tahanan isolasi yang tinggi
2. Kekuatan dielektris yang tinggi
3. Sifat mekanis yang baik
4. Tidak bereaksi terhadap asam dan lembab
Bahan isolasi yang digunakan dalam konduktor atau penghantar
adalah bahan PVC (polyvinilclorida). Agar bahan ini fleksibel maka
dicampur dengan bahan pelunak (plasticer). Isolasi konduktor dengan
15
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================bahan PVC tahan terhadap suhu sampai 700C secara terus menerus dan ada
juga kabel yang dibuat khusus isolasinya dengan ketahanan hingga suhu
1050C.
Isolasi kabel tegangan tinggi dan menengah tidak saja berfungsi
sebagai penyekat (isolator) atau pengaman, tetapi juga berfungsi sebagai
pelengkap atau pendukung kerja transmisi tenaga listrik pada saluran kabel
itu sendiri.
2.3.2 Kerugian Daya pada Penghantar
Dalam proses penyaluran tenaga listrik, terjadi rugi-rugi teknis
(losses) yaitu rugi daya dan rugi energi. Rugi teknis terjadi pada
penghantar saluran, adanya tahanan dari penghantar yang dialiri arus
sehingga timbullah rugi teknis (I2R) pada jaringan tersebut. Rugi energi
(rugi kWh) biasanya dinyatakan dalam bentuk biaya. Biaya untuk mencatu
kerugian ini dapat dibagi dalam 2 bagian yang utama :
komponen energi atau biaya produksi untuk membangkitkan
kehilangan kWh.
komponen demand/beban atau biaya tahunan yang tercakup di dalam
sistem investasinya yang diperlukan mencatu rugi beban puncak.
Rugi daya lebih mudah dihitung daripada rugi energi karena pada
rugi energi perlu diketahui kurva pambebanannya dan kondisi
pengoperasianya pada selang waktu pembebanan tersebut. Rugi daya dapat
dihitung dengan teliti hanya oleh perancangnya saja, karena ia yang
mengetahui seluk beluk mengenai komponen tersebut yang mencakup
berat, kualitas, rugi besi, rapat fluks, dan sebagainya dan juga penghantar
tembaganya yang meliputi penampang, kerapatan arus dan sebagainya.
Rugi tembaga atau rugi-rugi lainnya berbanding lurus dengan
kuadrat beban dan dengan adanya kurva beban versus waktu atau kurva
lamanya pembebanan, maka dapatlah dibuat kurva rugi daya/ waktu atau
16
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================kurva lamanya rugi daya dimana setiap ordinatnya berbanding lurus
dengan kuadrat setiap ordinat kurva bebannya. Dari kurva lamanya rugi
daya, dapat pula ditentukan rugi daya rata-ratanya selama periode tersebut.
Luas dari kurva lamanya rugi daya merupakan rugi energi selama periode
tersebut.
2.3.3 Resistansi Arus Bolak-Balik
Jika konduktor membawa arus bolak-balik yang besar, maka
distribusi arus tidak sama pada saat melalui konduktor tersebut. Hal ini
mengakibatkan skin effect dan proximity effect. Skin effect ialah suatu
fenomena yang timbul akibat tingginya frekuensi arus sehingga seolah-
olah arus hanya lewat tepi konduktor. Pada frekuensi 50-60 Hz faktor skin
effect cukup kecil daripada 150 mm2. Untuk itu cara penentuan dari skin
effect yaitu :
yhs = X s
4
192+(0.8 X s4)
dan
xs2 =
8 л f
R' 10-7 ks
dimana,
R’ : resistansi dari konduktor saat temperatur operasi maksimum
(Ω/m)
f : frekuensi (Hz)
ks : koefisien skin effect untuk tipe kabel sesuai IEC 287
Proximity effect (efek sekitar) ialah pengaruh dari kawat lain yang
berada disamping kawat yang pertama (yang ditinjau) sehingga distribusi
fluks tidak simetris lagi. Tetapi bila radius konduktor kecil terhadap jarak
antara kedua kawat maka efek sekitar ini sangat kecil dan bisa diabaikan.
17
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================
yhp =
x p4
192+(0.8 X p4)(
dc
s )2
[0.312( dc
s )2
+1.18
x p4
192+(0.8 X p4)
+0.27 ]xp
2 = 8 л f
R' 10-7 kp
dimana,
R’ : resistansi dari konduktor saat temperatur operasi maksimum
(Ω/m).
f : frekuensi (Hz)
ks : koefisien proximity effect untuk tipe kabel sesuai IEC 287
dc : diameter konduktor (mm)
s : jarak antar pusat konduktor (mm)
2.3.4 Induktansi
Induktansi L per-inti kabel pada kabel berinti 3 atau pada kabel
berinti satu yang berjumlah tiga, mempunyai 2 bagian yaitu induktansi
sendiri dan induktansi bersama antar inti kabel.
L = K + 0.2 loge 2 Sd
(Mh/km)
dimana,
K : konstanta konduktor (berinti 3, K= 0.0778)
S : jarak konduktor (mm)
d : diameter konduktor (mm)
18
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================2.3.5 Reaktansi
Reaktansi X pada kabel berinti 3 atau pada kabel berinti satu yang
berjumlah tiga dapat dihitung melalui
X = 2лf L x 10-3 (Ω/km)
dimana,
f : frekuensi (Hz)
L : induktansi (mH/km)
2.3.6 Impedansi
Impedansi Z pada kabel berinti 3 atau pada kabel berinti satu yang
berjumlah tiga dapat dihitung dengan :
Z = (R2 + X2)1/2 (Ω/km)
dimana, R = resistansi arus bolak-balik (Ω/km)
X = reaktansi (Ω/km)
Untuk pemilihan kabel didasarkan pada arus yang mengalir pada
penghantar itu. Arus bolak-balik tiga fasa yang mengalir melalui kabel
sebesar :
I = P
√3 E cosφ
dimana, I : Arus (A)
P : daya/beban (watt)
E : tegangan antar fasa
cos φ : faktor daya
19
Laporan Kerja PraktekAG Kamojang
============================================
20