COOLING TOWER SYSTEM

COOLING TOWER PSYCROMETRICSPsychrometry adalah pelajaran tentang pendinginan dengan evaporasi. Evaporasi maksimum akan terjadi bila air dalam bentuk droplet yang sangat kecil berkontak dengan aliran udara untuk waktu selama mungkin. Proses evaporasi merupakan proses pelepasan laten heat yang memungkinkan air didinginkan dibawah temperatur ambien-nya. Udara kering ditiupkan ke dalam cooling tower dan udara tersebut kemudian mengumpulkan moisture atau kelembaban untuk mencapai keseimbangan dengan air. Temperatur air dapat diturunkan sebesar 9.4oC atau lebih sementara massa udara kering hanya mengalami sedikit kenaikan.

1.1 Jenis Sistem PendinginCooling waterdisirkulasikan melalui peralatan yang menyerap dan membawa panas. Dasar dari sistem pendingin diperlihatkan padagambar1. Sistem sirkulasi terbuka adalah yang paling umum untuk industri. Karena digunakan untuk mendinginkan peralatan perpindahan panas, air menjadi hangat. Air yang telah menjadi hangat kemudian didinginkan dengan mengontakkannya dengan udara dalamcooling tower. Pendinginan dihasilkan dari evaporasi air yang disirkulasi, dan evaporasi ini menyebabkan padatan yang terlarut dalam air menjadi terkonsentrasi. Air yang hilang karena evaporasi harus digantikan denganmake-up water.

1.2 Lokasi TowerAdanya sumber panas lokal yang terletak di sebelah hulu arah angin dari cooling tower dapat menaikkan temperatur wet bulb udara yang masuk ketower. Gangguan akan terjadi ketika bagian udarasaturateddari sebelah hulu tower mengkontaminasi udara ambient yang ada di hilir arah angin. Drift dan air terkondensasi dapat menyebabkan korosi pada peralatan yang letaknya disebelah hilir arah angin cooling tower.

1.3 Wet Bulb TemperatureDasar dari desain thermal suatu cooling tower dengan metode evaporasi adalah temperaturwet bulbudara yang memasuki tower. Air tidak dapat didinginkan di bawah temperaturwet bulbdengan evaporasi. Temperaturwet bulbadalah temperatur yang dicapai ketika sejumlah kecil air berkontak dengan arus gas yang kontinyu. Temperaturwet bulbperlu diperhitungkan dalam desain cooling tower, karena akan mempengaruhi maksimum pendinginan cooling water. Temperatur wet bulb biasanya diukur dengan menggunakansling psychrometer.

1.4 Karakteristik Sistem PendinginKarakteristik performan dari berbagai jenis tower akan bervariasi dengan tinggi, bentuk isi dan susunan aliran (crossflowataucounterflow).

1.5 Istilah-istilah dalam Operasional Cooling TowerTabel 1. Beberapa istilah yang sering dipakai dan perlu dipahami dalamoperasional cooling tower

IstilahUnitKeterangan

Recirculation Rate (RR)m3/hTotal jumlah cooling water yang disirkulasi oleh pompa per-jamnya.

Holding Volume (HV)m3Total jumlah air yang terkandung dalam cooling water sistem, termasuk dalam pipa dan basin.

Evaporation Loss (E)m3/hKehilangan air karena evaporasi.

Drift (BD)m3/hKehilangan air karena adanya droplet/tetesan air yang berukuran sangat kecil, yang terbawa bersama aliran udara.

Make Up (M)m3/hJumlah input air yang dibutuhkan untuk menggantikan kehilangan air karena blowdown dan drift.

Blowdown (B)m3/hPembuangan sejumlah tertentu air, dilakukan dengan tujuan menghindari pemekatan konsentrasi dissolved solid pada cooling water.

Temperatur dropoCPerbedaan temperature antara cooling water supply (inlet) dan cooling water return (outlet) atau disebut jugaapproach.

Cycle-Konsentrasi dissolved solid pada cooling water dibandingkan dengan konsentrasi dissolved solid pada raw water.

DASAR SISTEM PENDINGINANAda 3 dasar sistem pendinginan yang dijumpai dalam operasional cooling tower.Sirkulasi Terbuka(Open Recirculation)

Rute aliran cooling water-nya terbuka. Pendinginan dilakukan dengan cara evaporasi, yaitu dengan mengontakkan air hangat dengan aliran udara pendingin. Ciri-cirinya ada make up water dan blow down. Karena evaporasi maka akan ada pemekatan konsentrasi dissolved solid pada air. Sedangkan untuk menggantikan air yang hilang karena evaporasi, maka harus ada air make up. Dan untuk menyeimbangkan pemekatan dissolved solid maka harus ada blowdown.

Gambar 1Sirkulasi Terbuka

Tabel 2.Dasar Sistem Pendinginan Open RecirculationContohKarakteristikKerugianKeuntungan

Spray Pond Cooling TowerEvaporative Condenser

Jumlah air yang digunakan sedangKorosiFoulingKerakBanyak mikrobaPelapukan kayuBiaya relatif sedang dibandingkan dengan close dan once through

Sirkulasi Tertutup(Closed Recirculation)Operasional cooling tower dalam suatu loop atau rute yang tertutup. Pendinginan dilakukan dengan cara mengontakkan air hangat dengan fluida yang lebih dingin dalam suatu alat penukar panas. Tidak terjadi pemekatan konsentrasi dissolved solid. Blowdown tidak berlaku untuk tipe closed recirculating. Hanya kebocoran yang menyebabkan berkurangnya air pada sistem closed loop ini. Karena kehilangan airnya sangat kecil sehingga make up-nya pun sangat kecil dan kadangkala dapat diabaikan. Biaya operasionalnya kecil, namun biaya investasinya tinggi.Tabel 3. Dasar Sistem Pendinginan Closed RecirculationContohKarakteristikKerugianKeuntungan

Jaket mesin dieselRadiator motorChilled water sistemJumlah air yang digunakan diabaikan.

Korosi.Fouling.Biaya investasinya mahal.Biaya operasional murah.Kualitas air sangat bagus.

Gambar 2Sirkulasi Tertutup

Sekali Lewat (Once Through)Cooling tower pada tipe ini tidak mengalami sirkulasi. Air mentah masuk, lalu dipompakan ke equipment yang mau didinginkan dan kemudian dibuang langsung.

Gambar 3 Once Through

Tabel 4. Dasar Sistem Pendinginan Once ThroughContohKarakteristikKerugianKeuntungan

Sistem air minumAir untuk pelayanan umum.Jumlah air yang digunakan sangat banyak.KorosiFoulingKerakMikrobaTidak memerlukan cooling tower.Tidak perlu water treatment.

BAGIAN-BAGIAN COOLING TOWERBagian-bagian cooling tower yang umum adalah:1.Basin : tempat penampungan air yang sudah didinginkan.2.Louver : pengarah udara yang mengalir masuk ke dalam tower.3.Pipa distribusi : pipa tempat masuknya cooling water dari proses atau cooling water return (CWR), yang kemudian pipa distribusi ini dilengkapi dengan spray nozzle untuk membetuk air menjadi droplet atau tetesan yang kecil.4.Fan : untuk menghisap atau meniup udara pendingin.5.Pipa supply cooling water : pipa tempat keluarnya air yang sudah dingin, menuju ke proses (cooling water supply).6.Make up water line : air yang ditambahkan untuk menggantikan air yang hilang akibat evaporasi dan drift, serta proses leak.7.Drift Eliminator : digunakan untuk mengurangi drift.

Bagian-bagian ini dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar 4. Bagian-bagianUmum Cooling Tower

COOLING TOWER4.1 Tipe Aliran UdaraAliran udara pada cooling tower dibagi menjadi crossflow dan counterflow.4.1.1Cross Flow

Udarabergerak tegak lurus terhadap lintasan laju alir air. Aliran udara masuk melalui sisi louver, kemudian bergerak horisontal sepanjang tower packed dengan arah tegak lurus terhadap arah aliran air, dan setelah drift eliminator udara kemudian akan bergerak vertikal ke atas, terhisap keluar karena putaran fan cooling tower. Sedangkan arah aliran airnya sbb: cooling water return dari pipa return header mengalir ke pipa-pipa distribusi dan di-spray oleh nozzle-nozzle distribusi sehingga menjadi tetesan-tetesan air. Tetesan air mengalir ke bawah menuju ke basin.Gambar 5Mechanical Induced Cross-Flow Tower

4.1.2Counter FlowUdara bergerak secara vertikal berlawanan arah dengan lintasan laju alir air. Aliran udara luar masuk ke tower melalui sisi-louver, kemudian bergerak vertikal ke atas dengan arah berlawanan terhadap arah aliran air. Udara kemudian akan terhisap keluar karena putaran fan cooling tower. Sedangkan arah aliran air,cooling water return dari pipa return header mengalir ke pipa-pipa distribusi dan akan di-spray melalui nozzle-nozzle distribusi sehingga menjadi tetesan-tetesan air. Tetesan air mengalir ke bawah menuju ke basin.

Gambar 6Mechanical Induced Counter-Flow Tower

4.2 Jenis Cooling TowerCooling tower dibagi menjadi dua bagian besar :1.Mechanical Draft Towera.Forced Draft Towerb.Induced Draft Towerc.Coil Shed Tower2.Natural Draft Towera.Atmospheric Spray Towerb.Hyperbolic Natural Draft Tower

Untuk jelasnya, masing-masing tipe cooling tower akan diterangkan sebagai berikut :

4.2.1Mechanical Draft TowerFan digunakan untuk memindahkan udara melalui mekanikaldraft tower. Performantowermemiliki stabilitas yang lebih besar karena hal ini dipengaruhi oleh beberapa variabelpsychrometric. Mekanikaldraft towerdikarakteristikkan sebagaiforced draftatauinduced draft.a.Forced draft towerFan pada forced draft tower berfungsi meniupkan udara pendingin ke dalam tower. Karena fungsinya untuk meniup maka fan diletakkan pada aliran udara yang masuk ketower. Tower ini dikarakteristikan dengan kecepatan udara masuk sangat tinggi, sedangkan kecepatan udara keluar rendah. Oleh karena itu, tower rentan terhadap resirkulasi karena akan menyebabkan ketidakstabilan performansi.Fan juga dapat menjadi penyebab timbulnya lapisan es di bawah kondisi temperatur udara ambient dan tingginya kelembaban.

Pada tower jenis ini biasanya dilengkapi dengan splash bar untuk memperpanjang waktu kontak antara air dan udara. (seperti ditunjukkan pada gambar 7).Gambar 7Forced Draft Tower

b.Induced Draft TowerInduced artinya menghisap/menarik. Pada tipe ini, fan diletakkan pada aliran udara yang meninggalkan tower. Hal ini menyebabkan kecepatan aliran udara yang keluar 3 sampai 4 kali lebih tinggi daripada kecepatan masukannya. Hal ini mendorong ke penyebaran panas dan menurunkan tenaga untuk resirkulasi.Induced draft towermembutuhkan kira-kira 1horsepowerinput untuk setiap 8000cfmudara. Induced Draft Tower diperlihatkan pada gambar 5 dan 6.

c.Coil shed tower

Penggunaan coil shed tower terdapat dalam banyak cooling tower yang sudah tua/kuno. Koil atmosferik ditempatkan dalam kolamcooling tower. Sebagian didinginkan dengan cara menggenangkan permukaan koil dengan air dingin. Alasan tidak diskontinyu digunakan karena masalah scale, rendahnya kontrol temperatur, dan harga konstruksi. Tower jenis ini bisa menggunakan mechanical draft tower, seperti ditunjukkan pada gambar 8, namun juga bisa dengan natural draft tower.

Gambar 8Mechanical Draft Coil Shed Tower

4.2.2Natural Draft TowerPada tipe ini tidak menggunakan fan untuk menggerakkan udara, tetapi hanya mengandalkan bentuk/konstruksinya untuk menggerakkan udara.a.Atmospheric spray towerCooling tower jenis ini bergantung pada kondisi atmosferik. Tidak menggunakan peralatan mekanis untuk menggerakkan udara.Atmospheric spray towerdigunakan bila hanya dibutuhkan cooling water dalam jumlah kecil dan bila performansi yang buruk dapat ditoleransi. Dilengkapi dengan splash bar yang tujuannya adalah untuk memperpanjang waktu kontak antara air dan udara (lihat gambar 9).

Gambar 9Atmospheric Spray Tower

b.Hyperbolic natural draft towerTower ini sangat dipercaya dan dalam thermal performance-nya dapat diprediksi dengan mudah. Cerobong asap (chimney) ataustackdigunakan untuk menarik udara dari dalamtower. Biaya konstruksinya sangat mahal dan berukuran besar.Cooling tower jenis ini tidak menggunakan fan untuk menggerakkan udara. Tetapi dengan adanya konstruksi cerobong atau chimney yang berfungsi seperti sebuah ejektor, maka aliran udara yang masuk dari bagian bawah tower akan terhisap ke atas dengan kecepatan cukup tinggi. Air panas yang masuk pipa distribusi di-spray oleh nozzle kemudian akan jatuh di splash bar dan berkontak dengan udara pendingin dan kemudian akan terkoleksi di basin