BAB III TINJAUAN PUSTAKA 3.1 PENDAHULUAN Salah satu

BAB III
TINJAUAN PUSTAKA
3.1
PENDAHULUAN
Salah satu komponen utama pada AC sentral selain chiller, AHU, dan ducting adalah
cooling tower atau menara pendingin. Fungsi utamanya adalah sebagai alat untuk
mendinginkan air panas dari kondensor dengan cara dikontakan langsung dengan udara
secara konveksi paksa menggunakan fan/kipas. Konstruksi cooling tower terdiri dari
sistem pemipaan dengan banyak nozzle, fan/blower, bak penampung, casing dsb
(Dadang S.Permana, 2014).
Proses yang terjadi pada chiller atau unit pendingin untuk sistem AC 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 dengan
komponen lainnya. Kondensor pada chiller biasanya berbentuk water cooled condensor
yang menggunakan air untuk proses pendinginan refrigerant, (Dadang S.Permana,
2014)
Secara umum bentuk konstruksinya berupa shell dan tube dimana air mengalir
memasuki shell/tabung dan uap refrigerant superheat mengalir dalam pipa yang berada
di dalam tabung sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Uap refrigeran superheat
berubah fasa menjadi cair yang memiliki tekana tinggi mengalir menuju alat ekspansi,
sementara air yang keluar memiliki temperatur yang lebih tinggi karena air ini akan
digunakan lagi untuk proses pendinginan kondensor maka tentu saja temperaturnya
harus diturunkan kembali atau didinginkan pada cooling tower.(Nimas Puspito, 2013).
9
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
10
Langkah pertama adalah memompa air panas tersebut menuju cooling tower melewati
sistem pemipan yang pada ujungnya memiliki banyak nozzle secara langsung
melakukan kontak dengan udara sekitar yang brgerak secara terpaksa karena pengaruh
fan/blower yang terpasang pada cooling tower.
Gambar 3.1 Cooling tower
(Sumber: Liang Chi Industry Co.Ltd, 2017)
Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu
kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet-bulb udara. Air yang sudah
mengalami penurunan temperatur ditampung dalam bak/basin untuk kemudian
dipompa kembali menuju kondensor yang berada didalam chiller. Pada cooling tower
juga dipasang katup make up water yang dihubungkan ke sumber air terdekat untuk
menambah kapsitas air pendingin jika terjadi kehilangan air ketika proses evaporative
cooling tersebut. Prestasi menara pendingin biasanya dikatakan “range” dan
“approach” dimana range adalah penurunan suhu air yang melewati cooling tower dan
approach adalah selisih antara suhu udara wet-bulb dan suhu air yang keluar.
Perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower dari air ke udara tak jenuh.
Ada dua penyebab terjadinya perpindahan kalor yaitu perbedaan suhu dan
perbedaan tekana 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 relatrif panjang. Selain itu biaya perawatan cooling
tower cukup tinggi dibandingkan sistem lainnya.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
11
3.2
KOMPONEN COOLING TOWER
Cooling Tower merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu
aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfir.
Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran
udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir sehingga, air yang tersisa
didinginkan secara signifikan. Menara pendingin mampu menurunkan suhu air lebih
dari peralatan-peralatan yang hanya menggunakan udara untuk membuang panas,
seperti radiator dalam mobil, dan oleh karena itu biayanya lebih efektif dan efisien
energinya. Komponen dasar sebuah menara pendingin meliputi rangka dan wadah,
bahan pengisi, kolam air dingin, eliminator aliran, saluran masuk udara, louvers, nosel
dan fan.
Gambar 3.2 Komponen cooling tower
(Sumber: Pt. multi kawan mandiri, 2013)
Adapun komponen pada cooling tower adalah sebagai berikut :
1. Rangka dan wadah
Hampir semua menara memiliki rangka berstruktur yang menunjang tutup luar
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
12
(wadah/casing), motor, fan, dan komponen lainnya. Dengan rancangan yang lebih
kecil seperti unit fiber glass, wadahnya dapat menjadi rangka.
2. Bahan Pengisi
Hampir seluruh menara menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastik atau
kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak
udara dan air. Terdapat 3 jenis bahan pengisi :

Bahan pengisi berbentuk percikan/Splash fill : air jatuh diatas lapisan yang
berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi
tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Bahan
pengisi percikan dari plastik memberikan perpindahan panas yang lebih baik
dari pada bahan pengisi percikan dari kayu.

Bahan pengisi berbentuk film: terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak
yang berdekatan dimana diatasnya terdapat semprotan air, membentuk lapisan
film yang tipis dan melakukan kontak dengan udara. Permukaannya dapat
berbentuk datar, bergelombang, berlekuk, atau pola lainnya. Jenis bahan
pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan panas yang sama dalam
volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash.

Bahan pengisi sumbatan rendah (Low clog film fill)
Jenis pengisi ini dengan ukuran flute yang lebih tinggi, saat ini sedang
dikembangkan untuk mengatasi air yang berasal dari laut karena adanya
penghematan daya kinerja dibanding tipe bahan pengisi jenis percikan
konvensional.
3. Kolam air dingin
Kolam air dingin 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 dibagian bawah seluruh bahan pengisi.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
13
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 dibawah 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 air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang.
5. Saluran udara masuk
Ini merupakan titik masuk bagi udara menuju menara. Saluran masuk bisa berada
pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah
menara (desain aliran berlawanan arah).
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 louver.
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. Fans
Fan aksial (jenis baling-baling) dan sentrifugal keduanya digunakan dalam
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
14
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 ukurannya, jenis fan propeller yang
digunakan sudah dipasang tetap atau dengan dapat dirubah-rubah/ diatur. Sebuah
fan dengan baling-baling yang dapat diatur tidak secara otomatis dapat digunakan
diatas range yang cukup luas sebab fan dapat disesuaikan untuk mengirim aliran
udara yang dikehendaki pada pemakaian tenaga terendah. Baling-baling yang dapat
diatur secara otomatis dapat beragam aliran udaranya dalam rangka merespon
perubahan kondisi beban.
3.3
MATERIAL UNTUK MENARA
Pada mulanya menara pendingin dibuat terutama dari kayu, termasuk rangka, wadah,
louvers, bahan pengisi dan kolam air dingin. Kadangkala kolam air dingin terbuat dari
beton. Saat ini, telah digunakan berbagai macam bahan untuk membangun menara
pendingin. Bahan-bahan dipilih untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi,
mengurangi perawatan, dan turut mendukung kehandalan dan umur layanan yang
panjang. Baja yang sudah digalvanis,berbagai kelas stainless steel, fiber glass, dan
beton sangat banyak digunakan dalam pembuatan menara, juga alumunium dan plastik
untuk beberapa komponen.
3.3.1 Rangka dan Wadah
Menara yang terbuat dari kayu masih tersedia, namun beberapa komponen dibuat dari
bahan yang berbeda, seperti wadah casing fiber glass disekitar rangka kayu, saluran
masuk udara louvers dari fiber glass, bahan pengisi dari plastik dan kolam air dingin
dari baja. Banyak menara (wadah dan kolam) nya terbuat dari baja yang digalvanis atau,
pada atmosfir yang korosif, menara atau dasarnya dibuat dari stainless steel.
Menara yang lebih besar kadangkala terbuat dari beton. Fiber glass juga
banyak digunakan untuk wadah dan kolam menara pendingin, sebab dapat
memperpanjang umur menara pendingin dan memberi perlindungan terhadap bahan
kimia yang berbahaya.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
15
3.3.2 Bahan Pengisi
Plastik sangat banyak digunakan sebagai bahan pengisi, termasuk PVC, polypropylene,
dan polimer lainnya. Jika kondisi air memerlukan penggunaan splash fill, splash fill
kayu yang sudah diberi perlakuan juga banyak digunakan. Disebabkan efisiensi
perpindahan panasnya lebih besar, bahan pengisi film dipilih untuk penggunaan yang
sirkulasi airnya bebas dari sampah yang dapat menghalangi lintasan bahan pengisi.
3.3.3 Nosel
Banyak nosel terbuat dari PVC, ABS, polipropilen, dan nylon yang diisi kaca . Balingbaling fan terbuat dari baja galvanis, alumunium, plastik yang diperkuat oleh fiber glass.
Gambar 3.3 Proses penyerapan panas pada cooling tower
(Sumber: Hensley, 2006)
Deskripsi proses :
 Air panas / hangat masuk melalui bagian atas menara, kemudian jatuh ke
bawah mengenai bahan isian dan nozzle sehingga memercik berbentuk titiktitk air
 Pada saat bersamaan udara mengalir pada bagian sisi / samping menara
sehingga terjadi perpindahan panas dari air ke udara.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
16
 Air yang sudah dingin ditampung di dalam Basin, selanjutnya dapat
digunakan dalam proses pendinginan.
JENIS – JENIS COOLING TOWER
3.4
Bagian ini menjelaskan dua jenis utama menara pendingin: menara pendingin jenis
natural draft dan jenis mechanical draft.
3.4.1 Cooling Tower Jenis Natural Draft
Cooling Tower jenis natural draft atau hiperbola menggunakan perbedaan suhu antara
udara ambien dan udara yang lebih panas dibagian dalam menara. Begitu udara
panas mengalir ke atas melalui menara (sebab udara panas akan naik), udara segar yang
dingin disalurkan ke menara melalui saluran udara masuk di bagian bawah. Tidak
diperlukan fan dan disana hampir tidak ada sirkulasi udara panas yang dapat
mempengaruhi kinerja. Kontruksi beton banyak digunakan untuk dinding menara
dengan ketinggian hingga mencapai 200 m.
Gambar 3.4 Cooling Tower natural draft aliran melintang
(Sumber: Hensley, 2006)
Terdapat dua jenis utama menara natural draft:

Menara aliran melintang (Gambar kiri): udara dialirkan melintasi air yang
jatuh dan bahan pengisi berada diluar menara.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
17

Menara dengan aliran yang berlawanan arah (Gambar kanan): udara dihisap
melalui air yang jatuh dan oleh karena itu bahan pengisi terletak dibagian dalam
menara, walaupun desain tergantung pada kondisi tempat yang spesifik.
3.4.2
Cooling Tower Jenis Mekanik Draft
Menara draft mekanik memiliki fan yang besar untuk mendorong atau mengalirkan
udara melalui air yang disirkulasi. Air jatuh turun diatas permukaan bahan pengisi, yang
membantu untuk meningkatkan waktu kontak antara air dan udara – hal ini
membantu dalam memaksimalkan perpindahan panas diantara keduanya. Laju
pendinginan menara draft mekanis tergantung pada banyak parameter seperti diameter
fan dan kecepatan operasi, bahan pengisi untuk tahanan sistim dll. Menara tersedia
dalam bentuk rakitan pabrik atau didirikan dilapangan – sebagai contoh menara beton
hanya bisa dibuat dilapangan. Banyak menara telah dibangun dan dapat digabungkan
untuk mendapatkan kapasitas yang dikehendaki. Jadi, banyak menara pendingin yang
merupakan rakitan dari dua atau lebih menara pendingin individu atau “sel”. Jumlah sel
yang mereka miliki, misalnya suatu menara delapan sel, dinamakan sesuai dengan
jumlah selnya. Menara dengan jumlah sel banyak, dapat berupa garis lurus, segi empat,
atau bundar tergantung pada bentuk individu sel dan tempat saluran udara masuk
ditempatkan pada sisi atau dibawah sel.
Gambar 3.5 Cooling Tower Forced Draft
(Sumber: Hensley, 2006)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
18
Gambar 3.6 Cooling Tower induced draft dengan aliran berlawanan
(Sumber: Hensley, 2006)
Gambar 3.7 Cooling Tower induced draft dengan aliran melintang
(Sumber: Hensley, 2006)
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
19
3.5
PRINSIP KERJA COOLING TOWER
Prinsip kerja menara pendingin berdasarkan pada pelepasan kalor dan perpindahan
kalor. Dalam menara pendingin, perpindahan kalor berlangsung dari air ke udara.
Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran
udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai akibatnya, air yang
tersisa didinginkan secara signifikan, skema menara pendingin tersebut dapat dilihat
pada gambar sebagai berikut.
Gambar 3.8 Prinsip kerja cooling tower
(Sumber: McDowall , 2006)
Air dari bak/basin dipompa menuju Heat Exchanger untuk menyerap panas
dan dialirkan ke menara pendingin. Air panas yang keluar tersebut secara langsung
melakukan kontak dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena pengaruh
isapan atau dorongan fan/blower yang terpasang pada menara pendingin, lalu mengalir
jatuh ke bahan pengisi (filler).
Air yang sudah mengalami penurunan suhu ditampung ke dalam
bak/basin. Pada cooling tower juga dipasang katup make up water untuk menambah
kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air (drift loses) ketika proses evaporative
cooling tersebut sedang berlangsung.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
20
3.6
PARAMETER DALAM ANALISA COOLING TOWER
Kita bisa mengetahui apakah performa cooling tower masih baik atau tidak dengan
parameter-parameter yang didalamnya harus ditinjau secara periodik melalui analisa
laboratorium. Dengan mengetahui nilai dari parameter-parameter tersebut, maka
pengendalian kualitas cooling water dapat dilakukan dengan baik.
Berikut ini adalah parameter-parameter dalam analisa cooling water treatment yang
harus dipantau secara periodik:

Turbidity : menunjukan jumlah padatan yang tersuspensi di dalam air.

pH : parameter yang menunjukkan kecenderungan terjadinya korosi dan
pembentukan kerak.

Electrical conductivity : menunjukan jumlah padatan yang terlarut didalam air.

M-alkalinity : dianalisa untuk memprediksi pertumbuhan kerak kalsium
karbonat.

Calcium hardness: merupakan parameter penting dalam memperkirakan
pertumbuhan kerak dari kalsium karbonat dan biasa digunakan untuk
menghitung cycle number dari cooling water.

Magnesium hardness: dianalisa untuk memperkirakan pertumbuhan kerak yang
timbul dari ion magnesium yang membentuk magnesium silikat.

Chloride: parameter yang biasa digunakan sebagai indeks untuk mengendalikan
cycle number cooling water. Cooling water dengan konsentrasi chloride yang
tinggi cenderung lebih bersifat korosif.

Sulfate: Cooling water dengan konsentrasi sulfate yang tinggi cenderung lebih
bersifat korosif

Silica: merupakan salah satu komponen pembentuk kerak pada peralatan.

COD: atau chemical oxygen demand. Konsentrasi COD yang tinggi
mempercepat pembentukan slime.

Ammonium ion, nitrate ion dan nitrite ion: konsentrasi ammonium ion yang
tinggi mempercepat pembentukan slime. Ammonium ion mempercepat proses
terjadinya korosi pada tembaga dengan membentuk senyawa kompleks garam
tembaga-ammonium. Ketika amonia berubah menjadi asam nitrat oleh bakteri
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
21
nitrifikasi, pH cooling water menjadi rendah dan mengakibatkan bahan kimia
penghambat korosi (corrosion inhibitor) menjadi tidak berfungsi.

Total Iron: merupakan salah satu fouling material dalam cooling water.
Menempelnya senyawa besi (iron) pada permukaan tubing heat exchanger
dapat menyebabkan korosi lokal pada material jenis carbon steel.

Residual chlorine: konsentrasi minimu chlorine harus dipertahankan dalam
cooling tower untuk menciptakan efek anti bakteri atau biocidal effect.
Corrosion inhibitor: konsentrasi tertentu corrosion inhibitor or bahan kimia
penghambat korosi harus dipertahankan dalam cooling water untuk menjaga
efek anti korosi. Salah satu contoh corrosion inhibitor adalah phosphate, yang
biasanya diukur sebagai total phosphate.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z