jurnal cooling tower
DESCRIPTION
jurnal otkTRANSCRIPT
Cooling Tower (CT) adalah salah satu komponen instalasi pendinginan,
terutama power plant, yang masih mungkin untuk didesain agar lebih hemat
energi. Saat ini terdapat banyak jenis CT, namun Wet Cooling Tower (WCT)
dengan berbagai variannya telah digunakan secara luas. Teori fundamental yang
paling umum digunakan untuk menganalisa (WCT) dipublikasikan oleh Merkel
tahun 1925.
Gambar 1. Skema sistem perpindahan kalor-massa pada WCT aliran crossflow
Teori ini dikhususkan untuk kasus dimana terjadi perpindahan kalor dan
perpindahan massa secara simultan antara aliran air dan aliran udara. Hasil
perhitungan dengan Teori Merkel cukup akurat sehingga sampai sekarang tetap
dipakai.
Dalam penerapannya teori merkel membutuhkan teknik penyelesaian
integrasi tertentu karena karakteristik perubahan temperatur dan kesetimbangan
kelembaban antara aliran udara pendingin dengan air panas terjadi sepanjang arah
kontak antara keduanya yang terjadi di dalam packing cooling tower. Terdapat
Penjelasan detail Teori Merkel dapat dilihat, misalnya, pada Mohiuddin (1996a),
Stoecker et.al. (1983), ASHRAE (1985), Hawkins et.al. (1987), Hewitt et.al.
(1994), dan McAdams (1985).
Gambar 2. Interface air dan udara pada proses perpindahan kalor-massa secara
simultan
Teori Merkel menyatakan bahwa bila udara yang mengalir diatas
permukaan yang terbasahi oleh air dan keduanya berbeda temperatur maka akan
terjadi perpindahan kalor sensible. Perpindahan massa juga akan terjadi karena
tekanan parsial air dan udara berbeda. Perpindahan massa tersebut juga
menyebabkan perpindahan energi kalor, ini terjadi karena air pada interface akan
ber-evaporasi, dan kalor laten evaporasi akan berpindah dengan bercampurnya
uap air ke dalam aliran udara. Dengan kata lain, perpindahan kalor sensibel karena
perbedaan temperatur dan perpindahan kalor latent akibat penguapan disatukan
dan dipakai sebagai driving force untuk menghitung koefisien perpindahan kalor
dan koefisien perpindahan massa dalam proses pendinginan ini. Baker, seperti
dikutip Hawkins et.al. (1987), membuktikan bahwa temperatur bola basah dari
udara adalah batas temperatur terendah dari proses pendinginan, yang dikenal
sebagai Approach. Asumsi simplifikasi dalam pemakaian Teori Merkel adalah
dengan menganggap resistansi termal pada interface air dan udara diabaikan, laju
aliran massa air di sembarang cross-section WCT adalah konstan, dan Bilangan
Lewis bernilai numerik “satu”.
1. PROSEDUR ITERASI PERHITUNGAN
1.1 Karakteristik cooling tower
Stoecker et.al. (1983), Elsarrag (2006), Kloppers et.al. (2005), Lemouari
et.al (2007), dan Mohiuddin1 (1996) menggunakan persamaan dengan pernyataan
Bilangan Merkel (Me) untuk WCT karena persamaan tersebut khusus diturunkan
untuk merepresentasikan perpindahan kalor dan perpindahan massa
yang terjadi secara simultan antara air dan aliran udara,
(KaV/L) pada ruas kiri disebut Me. Koefisien perpindahan massa adalah
K. Nilai real variabel a sulit ditentukan karena itu variabel ini dinyatakan secara
implisit dengan koefisien perpindahan massa volumetrik (Ka), yaitu produk
perkalian K dengan a. V adalah Volume packing (per satuan luas cross-
section terhadap arah aliran udara). L adalah laju aliran air yang dapat diketahui
dengan mudah denganpengukuran selama percobaan berlangsung. Dengan
demikian a, V, dan L adalah variabel yang secara independen tidak
tergantung dari kuantitas termodinamik pada ruas kanan.
Suku integral pada ruas kanan Persamaan (1) diselesaikan dengan
Metode Chebyshev, dengan mengambil empat akar polinomial untuk mewakili
pembagian empat bagian dari Packing Zone, yang dirujuk dari Mohiuddin
(1996a), dengan n adalah jumlah akar Polinomial Chebyshev maka (1) menjadi,
Penjelasan detail transformasi suku ruas kanan Persamaan (1) menjadi
suku ruas kanan Persamaan (2) ditunjukkan pada Stoecker et.al. (1983).
Gambar 3. Empat titik entalpi dalam arah aliran udara yang diambil sebagai data
pada penyelesaian integrasi Persamaan 1 dengan Metode Chebyshev
Suku 1/ ∆i j pada Persamaan (2) adalah enthalpy potential dan nilainya
diketahui dengan prosedur perhitungan yang dirangkum pada Tabel 1.
Properti udara basah
Nilai entalpi udara basah untuk sisi masuk WCT, i1 adalah,
i1 = cpa .T1 + w(2501 +1,805.T1 ) (3)
Kalor spesifik udara kering cpa dianggap konstan sebesar cpa = 1,006
kJ/kg.oC. Variabel T1 (oC) adalah Dry Bulb Temperature (DBT) udara basah.
Kelembaban spesifik w (kgw/kgda) nilainya dihitung dengan persamaan berikut,
Variabel T1* adalah Wet Bulb Temperature (WBT) dari udara, sedangkan ws*
dihitung dengan korelasi berikut,
w*s = 0,62198
pws
(5)pt −pws
Nilai pt diketahui dari pembacaan barometer, sedangkan nilai pws dihitung
berdasarkan T1*(K) dengan Persamaan (4) dalam ASHRAE (1993), dan
Mohiuddin (1998a) berikut,
Tabel 1. Prosedur perhitungan suku enthalpy potential
Nilai entalpi udara basah pada sisi keluar WCT, i 2 untuk range T *0 ~ 35 oC,
Nilai entalpi udara basah untuk sisi keluar WCT, i2 untuk range T2 *35 ~
60oC,
C8 = − 5,800 220 6 E + 03
C9 = − 5,516 256 0C10 = − 4,864 023 9 E − 02C11 = 4,176 476 8 E − 05C12 = − 1,445 209 3 E − 08
C13 = 6,545 967 3
C14 sampai C25 adalah konstanta, T2* (oC).
C14 = 5,352 5150E + 01
C15 = − 3,517 3340
C16=2,809 7150
C17=0,166 983 6 E01
C18=0,924 304 1 E − 03
C19=0,927 597 3 E − 05
Nilai entalpi udara basah dipermukaan air I’s pada tiap increment di hitung
berdasarkan temperatur air di TA, TB, TC, dan TD dengan Persamaan (7) dan
Persamaan (8).
Karakteristik Operasional
Approach dan Range
T1* adalah TWB dari udara masuk CT, dan prestasinya meningkat bila
temperatur air keluar Two semakin mendekati T1*.
Gambar 4. Approach dan Range
Efisiensi Termal
Tinggi Equivalen
Pernyataan V pada Persamaan (1) dapat dinyatakan dengan satuan meter
kubik volume (m3) tetapi variabel L juga harus dinyatakan dalam (kg/s), yaitu
seperti dilakukan dalam analisis pada penelitian ini yang merujuk pada Bedekar
et.al. (1998), Khan et.al. (2003), Milosavljevic et.al. (2000), Qureshi et.al. (2006),
dan Lemouari et.al. (2007), yaitu dengan tetap menjaga esensi pernyataan
Variabel Bilangan Merkel (KaV/L) sebagai bilangan tak berdimensi. Detail
perhitungan dengan metode seperti ini terdapat pada Lampiran D.
Variabel V dalam satuan meter kubik tersebut dinyatakan juga dalam
bentuk V = A.Z, dimana V merupakan fungsi dari Z (tinggi efektif CT dalam arah
aliran) dengan menganggap A (luas penampang CT yang ditempati packing dalam
arah aliran udara) konstan. Model analisis demikian terdapat dalam Hewitt et.al.
(1994), Hawkins (1987), Goshayshi et.al. (2000), Kreith (1973), dan Mohiuddin
(2005).
Gambar 5. Model CT dengan basis analisis (L/G) untuk penentuan tinggi
equivalen
Pernyataan V dan Z sangat penting karena dapat dipakai untuk
merepresentasikan arti fisik untuk tujuan desain dari nilai numerik karakteristik
koefisien perpindahan kalor dan massa dari packing CT. Nilai V atau Z dapat
diketahui dengan menghitung langsung dari Persamaan (2) dengan mengetahui
terlebih dahulu nilai kuantitas termodinamik pada ruas kanan, dan koefisien
perpindahan massa volumetrik (Ka) dan daerah (L/G) dimana CT tersebut
dioperasikan. Perancangan CT umumnya menggunakan packing yang sudah
diketahui karakteristik nilai (Ka) atau (Kca) nya, dan bila CT tersebut diinginkan
untuk bekerja dengan suatu karakteristik termodinamik tertentu, maka tinggi
packing Z dapat juga ditentukan secara langsung berdasarkan G, seperti dalam
Kreith (1973) berikut,
G dw = Ka (was −w) dZ (13)
Metode penentuan nilai variabel was menentukan hasil penyelesaian akhir
Persamaan (13). Hewitt et.al. (1994) melakukan prosedur yang sama dengan
Mohiuddin (1996a) sehingga diperoleh Teori Merkel berbasis G,
Metode penyelesaian (14) serupa dengan yang dilakukan dalam penelitian
ini. Metode kedua, yaitu dengan menganggap nilai was konstan, maka persamaan
(14) menjadi persamaan seperti dalam Kreith (1973) dan Mohiuddin (2005),
Mohiuddin (2005) menentukan was secara grafis berdasarkan w1 dan w2,
sedangkan Kreith (1973) menganggap nilai was sama dengan nilai RH 100% pada
semua temperatur udara. Metode ketiga penentuan nilai Z seperti diformulasikan
dalam tulisan ini, yaitu dengan menghitung terlebih dulu nilai (Ka) berdasarkan L
dan V. Nilai Z equivalen dihitung dengan kurva karakteristik operasional packing.
PENGUJIAN DAN PEMAKAIAN PROSEDUR PERHITUNGAN
Tiga packing berbeda dibuat untuk memberikan gambaran pemakaian
prosedur perhitungan. Semua packing membunyai luas permukaan perpindahan
kalor-massa yang sama, sehingga secara teoritis ketiga packing tersebut
mempunyai nilai faktor “a” pada Persamaan 1 yang sama. Disini variasi nilai
(KaV/L) kemudian dapat amati dipengaruhi secara dominan oleh bentuk packing
saja. Packing pertama adalah Packing Plat Datar (PPD), Packing kedua adalah
Packing Plat Bergelombang Vertikal susunan Plat Sejajar (PGS), dan Packing
ketiga adalah Packing Plat Bergelombang Vertikal susunan Plat Bolak-Balik
(PGB), yaitu denganbentuk visual seperti skema pada Gambar 6. Sebagai
perbandingan, diuji juga WCT bila seksi uji dibiarkan kosong (KOS) tanpa
packing.
Gambar 6. Tiga jenis packing; (a) PPD, (b) PGS, dan (c) PGB
Ketiga packing dipasang bergantian pada instalasi WCT seperti pada Gambar 7.
Packing ditempatkan pada bagian yang diarsir.
Gambar 7. Instalasi experimental cooling tower
Data data yang diperoleh dari pengujian menggunakan empat kondisi
operasi ini kemudian diolah menggunakan prosedur perhitungan yang telah
disusun. Hasilnya lalu dibandingkan satu dengan lainnya untuk dapat dilihat
performance tiap packing.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada Gambar 8 ditunjukkan bahwa dengan semakin besarnya nilai (L/G)
nilai (KaV/L) semakin menurun. Trend tersebut terjadi pada semua packing. Pola
aliran udara yang terbentuk pada saluran antar elemen packing bukanlah faktor
yang berpengaruh sebagai penentu karakteriktik termal WCT untuk kasus. Faktor
yang mempengaruhi trend tersebut adalah laju aliran air. Pada (L/G) yang besar,
yaitu load L yang besar, lapisan air yang “menempel” pada permukaan packing
bertambah tebal sehingga partikel air yang ada di lapisan terbawah semakin sulit
menuju permukaan untuk berkontak dengan udara. Semakin besar L, semakin
tebal lapisan air pada packing, maka kemampuan udara untuk melakukan
pendinginana dengan laju aliran G yang tetap akan semakin kecil. Hal inilah yang
menyebabkan trend nilai Approach pada dan Efisiensi akan semakin menurun
dengan naiknya (L/G).
Gambar 8. Nilai (KaV/L) Persamaan 1 pada PGB, PGS, PPD, dan KOS terhadap
perubahan
Penjelasan diatas memperlihatkan bahwa kompleksitas pola aliran dan
adanya efek-efek menguntungkan dalam proses tranfer kalor dan massa
tergantung juga pada faktor geometri saluran dimana fluida mengalir. Semakin
kompleks bentuk geometri maka semakin rumit pola aliran yang dihasilkan dan
semakin baik efek perpindahan kalor dan massa yang diperoleh. Namun demikian
nilai numerik karakteristik termal dimaksud berbeda tergantung parameter bentuk
dari geometrinya. Hal ini diperjelas misalnya pada Hossain et.al. (2004) yang
menunjukkan bahwa perubahan parameter geometri seperti besarnya amplitudo
bentuk saluran dan jarak vertikal antar dinding saluran sangat menentukan pola
aliran yang terbentuk. Hal itu menyebabkan perbedaan nilai numerik peningkatan
transfer kalor dan massa yang terukur sebagai nilai Bilangan Nusselt.
Gambar 9. Hubungan Efisiensi (η) dengan Nilai (KaV/L)
Gambar 9 menunjukkan karakteristik hubungan antara (KaV/L) dengan
efisiensi dimana semakin tinggi nilai (KaV/L) efisiensi juga meningkat.
Karakteristik ini berarti penting dalam perancangan sebab dengan memakai
sebuah packing tertentu yang telah diketahui nilai (Ka) dan daerah operasional
dimana CT akan dipakai, maka akan dapat diperkirakan nilai pendinginan
maksimum dalam pernyataan Two terendah yang dapat dicapai.
Selanjutnya dapat diketahui volume minimal V yang dibutuhkan untuk
proses pendinginan tersebut. Informasi ini dapat dikombinasikan dengan
perhitungan lain, misalnya tinggi equivalen, yaitu perhitungan tinggi equivalen
WCT relatif terhadap kondisi operasi tampa packing, untuk menentukan dengan
pasti tinggi packing real minimum yang dibutuhkan.
Desain sebuah CT umumnya dikhususkan untuk mendapatkan suatu
keandalan pada suatu karakteristik tertentu, Hawkins (1987). Kadang CT didisain
agar mampu bekerja dalam range yang besar, variasi load yang cenderung tidak
stabil, atau dapat mengkompensasi perubahan WBT udara pendingin dengan
cepat. Pada saat yang lain ukuran (size) menjadi pertimbangan utama pemilihan
CT, misalnya diinginkan bervolume sekecil mungkin.
Gambar 10. Volume efektif CT, penggambaran sumbu horisontal menandakan
muka atas dari posisi
Dalam penelitian ini karakteristik termal (Ka) dari pemakaian keempat
jenis packing dapat dinyatakan dalam bentuk reduksi ukuran packing zone CT.
Reduksi ukuran tersebut dinyatakan secara kuantitatif dengan besarnya reduksi
volume V cooling tower, dan diistilahkan dengan volume equivalen Ve. Nilai Ve
yang dihasilkan dalam penelitian ini dilihat pada Gambar 10.
Sebagai pembanding nilai Ve diambil nilai V pada KOS yang dianggap
mempunyai Ve konstan untuk semua data. Variabel Ve kemudian dihitung
berdasarkan V yang merupakan produk perkalian antara tinggi packing Z dan
cross sectional area A. Variabel A adalah konstan. Karena V dan L pada suku
(KaV/L) dari Persamaan 2 telah diketahui maka akhirnya nilai Koefisien
perpindahan massa volumetrik (Ka) dapat diketahui, yaitu diturunkan dari nilai
(KaV/L) yang telah diketahui. Berdasarkan nilai (Ka) dan V konstan pada KOS,
maka akhirnya Ve untuk PPD, PGS, dan PGB dapat dihitung.
Dengan kondisi eksperimen yang telah disetting diperoleh besarnya
Volume KOS 1,01E+7 mm3. Bila PPD dipakai dan diinginkan mendapatkan efek
pendinginan yang sama dengan yang dihasilkan oleh KOS maka volume PPD
dapat direduksi menjadi 7,76E+6 mm3 atau berkurang 23.4%. Demikian juga
dengan PGS, Ve menjadi 5,92E+6 mm3 atau berkurang 41,5%. Reduksi volume
paling banyak dihasilkan dengan menggunakan PGB, Ve menjadi 51,3E+6 mm3
yang setara dengan reduksi 49,5%.
Gambar 11. Volume efektif CT yang telah dikonversi menjadi Tinggi efektif (Ze)
Dalam penelitian ini cross sectional area A disetting konstan sehingga
dapat dianggap bukan merupakan faktor perbedaan performance CT pada
penggunaan packing yang berbeda. Karena itu Ve dapat dinyatakan dalam tinggi
equivalen Ze seperti pada Gambar 11. Nilai Z pada KOS menjadi konstan 450
mm. Ze pada PPD menjadi 345 mm, pada PGS menjadi 263 mm, dan pada PGB
menjadi 227 mm. Hasil perhitungan ini dengan sangat nyata memperlihatkan
bahwaSemakin besar nilai (Ka), semakin pendek Ze.
KESIMPULAN
Analisa data yang diperoleh dari eksperimen dengan memakai prosedur
perhitungan yang telah dikembangkan, yaitu untuk menyelesaikan integrasi yang
tidak dapat diselesaikan secara stright-forward, telah dapat digunakan untuk
menganalisa performance WCT dengan mengunakan packing yang berbeda.
Tabel 1. KETERANGAN SIMBOL