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