bab iv pengolahan data dan analisa cooling tower 4 · 2020. 10. 20. · 8 gambar 4.5. simulasi cfd...

6

BAB IV

PENGOLAHAN DATA DAN ANALISA COOLING TOWER

4.1 Analisa Desain Cooling Tower

4.2.1 Desain Cooling Tower Existing

Gambar 4.1. Desain cooling tower existing

a. Tidak Adanya Filler Pada Cooling Tower Existing

Hampir seluruh Cooling tower menggunakan bahan pengisi (terbuat dari

plastic atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan

kontak udara dan air, pada kondisi cooling tower existing pltu tenayan tidak

terdapat filler sehingga kinerja / heat transfernya kurang maksimal.

Gambar 4.2. Tidak adanya filler pada cooling tower exsisting

Sumber : Laporan performance test cooling tower

7

b. Posisi Nozzle

Gambar 4.3. Nozzle cooling tower existing


Pada cooling tower existing, posisi nozzle menghadap ke atas dan jenis

nozzlenya tipe pressurized. Posisi nozzle yang menghadap ke atas menyebabkan air

yang keluar dari nozzle langsung bertabrakan dengan eliminator, sehingga

menyebabkan kerusakan pada eliminator cooling tower.

Gambar 4.4. Kerusakan drift eliminator


c. Analisa distribusi temperature

Dengan menggunakan software Computational fluid dynamics (CFD)

didapatkan hasil sebagai berikut :

8

Gambar 4.5. Simulasi CFD Cooling Tower Existing


Sampel nilai diambil pada titik koordinat -0.124033, 7.4248, -0.803295,

nilai temperatur pada titik kordinat tersebut adalah 311,25 K atau sebesar 38,1˚C.

4.2.2 Desain Cooling Tower Hamon Type Multi Cell Induced Draft Fan

Counter Flow

Gambar 4.6. Desain Cooling Tower Hamon


9

a. Penambahan Filler

Untuk meningkatkan , memaksimalkan pertukaran panas pada cooling tower

pltu Tenatan, maka pada desain baru ditambahkan filler pack sejumlah 20 lapis.

Gambar 4.7. Filler pack cooling tower Hamon


b. Nozzle type down spray

Pada cooling tower baru dilakukan penggantian nozzle spray dari tipe nozzle

pressurized menjadi down spray type.

Gambar 4.8. Nozzle cooling tower Hamon


10

c. Analisa distribusi temperature

Dengan menggunakan software Computational fluid dynamics (CFD)

didapatkan hasil sebagai berikut :

Gambar 4.9. Nozzle cooling tower Hamon


Titik koordinat yang sama juga diterapkan pada cooling tower setelah inovasi,

nilai temperatur pada titik kordinat tersebut adalah 306,9 K atau sebesar 33,75˚C.

4.2 Kinerja Cooling Tower

Analisa kinerja cooling tower dengan membandingkan data performance test

Cooling Tower Existing dengan Hamon Cooling Tower Type Multi Cell Induced

Draft Fan Counter Flow untuk mengetahui kinerja dari cooling tower existing

PLTU Tenayan.

4.2.1 Perhitungan Performance Hamon Cooling Tower Type Multi Cell

Induced Draft Fan Counter Flow

Berikut merupakan data parameter hasil performance test dari Hamon

Cooling Tower.

11

Tabel 4.1 Data Hamon Cooling Tower PLTU Tenayan

No Parameter Besaran satuan

1 Twb 25 ⁰ C

2 Tdb 32,02 ⁰ C

3 Tin Air 42,7 ⁰ C

4 Tout Air 32,7 ⁰ C

5 Debit Air 4.000 m³/h

6 Debit Udara

1.877.760

m³/h

1. Range = suhu air masuk (Tin air) – suhu air keluar (Tout air)

= 42,7 °C – 32,7 °C

= 10 °C

2. Approach = suhu air Keluar (Tout air) – suhu wet bulb (Twb)

= 32,02 °C – 25 °C

= 7,7 °C

3. Effektifitas = 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒

𝑎𝑝𝑝𝑟𝑜𝑎𝑐ℎ+𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒𝑥 100%

= 10°𝐶

7,7°𝐶+10°𝐶𝑥 100%

= 56%

4. Laju aliran Massa Air (L)

L = Qair x ρair 43 °C

Massa jenis air 43 °C pada table heat transfer = 990,985 (interpolasi)

L = 4.000 m³/jam x 990,985 kg/jam

=3.963.940 kg/jam

= 1101,09 kg/s

5. Laju aliran massa udara (G)

G= Qudara x ρudara 32,02 °C

12

Massa jenis udara 32,02 °C pada table heat and mass transfer = 1,157 kg/m³

Sehingga,

= 1.877.760 m³/jam x 1,157 kg/m³

= 2.172.568,32 kg/jam

= 603,491 kg/s

6. Perbandingan L/G Cooling Range

L/G =19.817.000

16.080.920,9 𝑘𝑔/𝑗𝑎𝑚

= 1,824

7. Menghitung kehilangan air akibat evaporator loss (We)

We = 0,00085 x 4.000 m³/jam x 1,8 x (T1 - T2)

We = 0,00085 x 4.000 m³/jam x 1,8 x (42,7 – 32,7)

= 61,2 m³/jam

8. Menghitung kehilangan air akibat drift loss (Wd)

Wd = 0,02% x 4.000 m³/jam

= 0,8 m³/jam

9. Menghitung kehilangan air akibat Blow Down (Wb)

Wb = 61,2𝑚3/𝑗𝑎𝑚

2,7−1 = 36 m³/jam

10. Menghitung make up water cooling tower

Make up water = 61,2 m³/jam + 0,8 m³/jam + 36 m³/jam

= 98 m³/jam

11. Kapasitas pendingin (Q) cooling tower

Q = 1101,09 kg/s x 4,19 kJ/kg.K x 283K = 1.305.645 kJ/s

12. Diagram psikometrik untuk mencari kelembapan relative (Relative

Humidity), rasio kelembapan (humidity Ratio) dan enthalpi dari suhu bola

basah dan suhu bola kering dengan kondisi :

- Barometric pressure = 760 mmHg

- Atmosphere pressure = 101.325 kPa

13

Tabel 4.2 Nilai RH, HR & Entalpi berdasarkan kalkulator

psikometrik.

TDB (°C) TWB (°C) RH (%) HR (kg/kg) H (kJ/kg)

32,02 25 56,64 0,017 75,74

13. Integrasi stepwise

Cooling tower terbagi menjadi 10 bagian seperti dalam gamnbar di bawah ini,

dimana penurunan suhu air 1 °C pada tiap – tiap bagian seperti gambar di

bawah ini :

Gambar 4.10. Pembagian Ruas Volume Data Hamon

Keseimbangan energi pada bagian paling bawah (ruas 0 ke ruas 1) akan

memberikan hasil dari persamaan berikut :

= ℎ𝑎1 − ℎ𝑎0 =𝐿

𝐺 𝑥 (4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔. 𝐾) 𝑥 (𝑑𝑇. 𝐾)

= 1,824 x 4,19 kJ/kg.K x 1K

= 7,642 kJ/kg

42,7

°C

41,7

°C

40,7

°C

39,7

°C

38,8

°C

37,7

°C

36,7

°C

35,7

°C

34,7

°C

33,7

°C

32,7

°C

14

a. Air pada ruas bagian bawah ini memiliki suhu rata – rata = (32,7°C +

33,7°C)/2 = 33,2°C

b. Entalpi udara yang meninggalkan bagian paling bawah (ha1) adalah

ha1 = ha0 + kJ/kg

= 75,74 kJ/kg + 7,642 kJ/kg

= 83,382 kJ/kg

Maka rata – rata entalpi ha pada ruas ini adalah (75,74 kJ/kg + 83,382 kJ/kg)

/ 2 = 79,561 kJ/kg

c. Pada bagian paling bawah, air mempunyai suhu (hi) 33,2°C dan entalpi udara

jenuh pada suhu air ini adalah 139,21 kJ/kg (kalkulator steam properties)

d. Harga (hi – ha)m dalam bagian paling bawah ini yaitu :

= 139,21 kJ/kg – 79,561 kJ/kg

= 59,649 kJ/kg

Maka,

1

ℎ𝑖−ℎ𝑎=

1

59,649 𝑘𝐽/𝑘𝑔

= 0,0167 kJ/kg

e. Bergerak keatas menuju bagian kedua dari bawah, untuk mencari (h1 – ha)m

dilakukan prosedur yang sama. Entalpi udara yang masuk ke bagian kedua

dari bawah sama dengan entalpi udara yang meninggalkan bagian pertama

yaitu 80,893 kJ/kg. dihasilkan sebagai berikut :

Tabel 4.3 Nilai 1/(h1 – ha)m

bagian h1 rata - rata ha rata - rata (h1 - ha)m 1/(h1 - ha)m

1 140,46 79,561 60,899 0,01642063

2 144,64 87,203 57,437 0,01741038

3 148,82 94,845 53,975 0,0185271

4 153 102,487 50,513 0,01979688

5 157,18 110,129 47,051 0,02125353

6 161,36 117,771 43,589 0,02294157

7 165,54 125,413 40,127 0,02492088

8 169,71 133,055 36,655 0,02728141

9 173,89 140,697 33,193 0,03012683

10 178,07 148,339 29,731 0,03363493

jumlah 1/(h1 - ha)m 0,23231414

15

perhitungan – perhitungan untuk mencari jumlah 1

(ℎ𝑖−ℎ𝑎)𝑚 hingga ke ruas ke

sepuluh.

Dengan demikian dapat diketahui tingkat panas yang dilepas dari air :

ℎ𝑐𝐴

𝐶𝑝𝑚= 4,19 𝐿∆𝑡 ∑

1

(ℎ𝑖 − ℎ𝑎)𝑚

= 4,19 x 1101,09 kg/s x 1K x 0,23231414 kJ/kg

= 1071,796 kJ/s

4.2.2 Perhitungan Kinerja Existing Cooling Tower

Data spesifikasi existing cooling tower merupakan data yang diambil

berdasarkan hasil performance test cooling tower existing.

Table 4.4 Data Parameter Cooling Tower Existing

No Parameter Besaran satuan

1 Twb 25,24 ⁰ C

2 Tdb 31,87 ⁰ C

3 Tin Air 42,88 ⁰ C

4 Tout Air 35,89 ⁰ C

5 Debit Air 4.000 m³/h

6 Debit Udara

1.877.760

m³/h

1. Range = suhu air masuk (Tin air) – suhu air keluar (Tout air)

= 42,88 °C – 35,89 °C

= 6,99 °C

2. Approach = suhu air Keluar (Tout air) – suhu wet bulb (Twb)

= 35,89 °C – 25,24 °C

= 10,65 °C

3. Effektifitas = 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒

𝑎𝑝𝑝𝑟𝑜𝑎𝑐ℎ+𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒𝑥 100%

= 6,99°𝐶

10,65°𝐶+6,99°𝐶𝑥 100%

16

= 40 %

4. Laju aliran Massa Air (L)

L = Qair x ρair 42,88 °C

Massa jenis air 42,88 °C pada table heat transfer = 995,404

(interpolasi)

L = 4000 m³/jam x 995,404 kg/jam

= 3.981.616 kg/jam

= 1106 kg/s

5. Laju aliran massa udara (G)

G = Qudara x ρudara 32,02 °C

Massa jenis udara 32 °C pada table heat and mass transfer = 1,156 kg/m³

= 1.877.760 m³/jam x 1,156 kg/m³

= 2.170.690,6 kg/jam

= 602,969 kg/s

6. Perbandingan L/G Cooling Range

L/G =3.981.616

602,969 𝑘𝑔/𝑗𝑎𝑚

= 1,834

7. Menghitung kehilangan air akibat evaporator loss (We)

We = 0,00085 x 4000 m³/jam x 1,8 x (T1 - T2)

We = 0,00085 x 4000 m³/jam x 1,8 x (42,88 – 35,89)

= 42,778 m³/jam

8. Menghitung kehilangan air akibat drift loss (Wd)

Wd = 0,02% x 4000 m³/jam

= 3,6 m³/jam

9. Menghitung kehilangan air akibat Blow Down (Wb)

Wb = 42,778 𝑚3/𝑗𝑎𝑚

2,7−1 = 25,164 m³/jam

10. Menghitung make up water cooling tower

17

Make up water = 42,778 m³/jam + 3,6 m³/jam + 25,164 m³/jam

= 68,742 m³/jam

11. Kapasitas pendingin (Q) cooling tower

Q = ṁ x Cp x ∆T

Q = 1106 kg/s x 4,19 kJ/kg.K x 279,99 = 1.297.518 kJ/s

12. Diagram psikometrik untuk mencari kelembapan relative (Relative

Humidity), rasio kelembapan (humidity Ratio) dan enthalpi dari suhu bola

basah dan suhu bola kering dengan kondisi :

- Barometric pressure = 760 mmHg

- Atmosphere pressure = 101.325 kPa

Tabel 4.5 Nilai RH, HR & Entalpi berdasarkan kalkulator psikometrik.

TDB

(°C)

TWB

(°C)

RH

(%)

HR

(kg/kg)

H

(kJ/kg)

32,87 25,24 54,377 0,017 76,934

13. Integrasi stepwise

Cooling tower terbagi menjadi 10 bagian seperti dalam gamnbar di bawah

ini, dimana penurunan suhu air 1 °C pada tiap – tiap bagian seperti gambar

di bawah ini :

18

Gambar 4.11. Pembagian Ruas Volume Data Existing

Keseimbangan energi pada bagian paling bawah (ruas 0 ke ruas 1) akan

memberikan hasil dari persamaan berikut :

= ℎ𝑎1 − ℎ𝑎0 =𝐿

𝐺 𝑥 (4,19

𝑘𝐽

𝑘𝑔. 𝐾) 𝑥 (𝑑𝑇. 𝐾)

= 1,834 x 4,19 kJ/kg.K x 0,7 K

= 5,379 kJ/kg

a. Air pada ruas bagian bawah ini memiliki suhu rata – rata = (35,89 °C + 36,589

°C)/2 = 36,24 °C

b. Entalpi udara yang meninggalkan bagian paling bawah (ha1) adalah

ha1 = ha0 + 3,276 kJ/kg

= 76,934 kJ/kg + 5,379 kJ/kg

= 82,313 kJ/kg

Maka rata – rata entalpi ha pada ruas ini adalah (76,934 kJ/kg + 82,313 kJ/kg)

/ 2 = 79,623 kJ/kg

35,89 °C

36,94 °C

37,64 °C

38,34 °C

39,04 °C

39,73 °C

40,43 °C

41,13 °C

41,83 °C

42,53 °C

36,24 °C

19

c. Pada bagian paling bawah, air mempunyai suhu (hi) 36,24 °C dan entalpi

udara jenuh pada suhu air ini adalah 151,91 kJ/kg (kalkulator steam

properties)

harga (hi – ha)m dalam bagian paling bawah ini yaitu :

= 151,91 kJ/kg – 79,623 kJ/kg

=72,287 kJ/kg

Maka,

1

ℎ𝑖−ℎ𝑎=

1

72,287 𝑘𝐽/𝑘𝑔

= 0,0138 kJ/kg

d. Bergerak keatas menuju bagian kedua dari bawah, untuk mencari (h1 – ha)m

dilakukan prosedur yang sama. Sehingga dihasilkan sebagai berikut :

Tabel 4.6 Nilai 1/(h1 – ha)m

bagian h1 rata - rata ha rata - rata (h1 - ha)m 1/(h1 - ha)m

1 151,91 79,614 72,30 0,01383193

2 154,84 84,993 69,85 0,01431690

3 157,76 90,372 67,39 0,01483933

4 160,69 95,751 64,94 0,01539895

5 163,61 101,130 62,48 0,01600499

6 166,50 106,509 59,99 0,01666903

7 169,42 111,888 57,53 0,01738148

8 172,35 117,267 55,08 0,01815426

9 175,27 122,646 52,62 0,01900256

10 178,20 128,025 50,18 0,01993005

jumlah 1/(h1 - ha)m 0,16552947

perhitungan – perhitungan untuk mencari jumlah 1

(ℎ𝑖−ℎ𝑎)𝑚 hingga ke

ruas ke sepuluh.

Dengan demikian dapat diketahui tingkat panas yang dilepas dari air :

=ℎ𝑐𝐴

𝐶𝑝𝑚= 4,19 𝐿∆𝑡 ∑

1

(ℎ𝑖 − ℎ𝑎)𝑚

= 4,19 x 1106 kg/s x 0,699 K x 0,16552947 kJ/kg

= 536,193 kJ/s

20

4.3 Analisa Data Perbandingan Kondisi Existing Dengan Hamon Cooling

Tower

4.3.1 Hasil perhitungan Range, Approach, Cooling Range

Tabel 4.7 Nilai Perhitungan Range, Approach, Cooling Range

Data Tin

(°C)

Tout

(°C)

Twb

(°C)

Tdb

(°C)

Range

(°C)

Approach

(°C)

Cooling

Range

Hamon 42,7 32,7 25 32,02 10 7,7 1,824

Existing 42,88 35,89 25,24 31,87 6,99 10,65 1,834

Gambar 4.12. Grafik Kinerja Cooling Tower

Dari grafik di atas dapat diambil kesimpulan bahwa performance cooling

tower meningkat setelah dilakukan upgrade dengan desain dari hamon cooling

tower, dari parameter yang sama ketika melakukan performance test. Hamon

cooling tower mempunyai range yang lebih tinggi yaitu 10°C, sehingga mampu

menukar kalor dengan lebih baik menghasilkan temperature outlet cooling tower

dari 35,89°C menjadi 32,7°C.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tin Tout Twb Tdb Range Approach CoolingRange

Grafik Kinerja Cooling Tower

Hamon CT Existing CT

Tem

per

ature

(°C

)

21

4.3.2 Hasil Perhitungan Evaporation Loss, Drift Loss, Blow Down, Dan Make

Up Water

Tabel 4.8 hasil perhitungan evaporation loss, drift loss, blow down, dan

make up water

Data We

(m³/jam)

WD

(m³/jam)

WB

(m³/jam)

Make up

(m³/jam)

Hamon CT 61,2 0,8 36 98

Existing CT 42,77 0,8 25,164 68,74

Gambar 4.13. Grafik Evaporation Loss, Drift Loss, Blow Down Dan Make Up

Water

Dari grafik di atas dapat diambil kesimpulan bahwa cooling tower existing

memerlukan air penambah sebanyak 68,74 ton / jam dan pada hamon cooling tower

memerlukan air penambah sebanyak 90 ton / jam

0

20

40

60

80

100

120

We Wd Wb Make Up

Grafik Losses Water


Tem

per

ature

(°C

)

22

4.3.3 Hasil Perhitungan Efektivitas Dan Tingkat Panas Yang Dilepas Cooling

Tower

Tabel 4.9 Hasil Perhitungan Efektivitas Dan Tingkat Panas Yang Dilepas

Cooling Tower

Data Efektivitas (%) hcA/Cpm (kJ/s) Kapasitas cooling tower (kJ/s)

Hamon CT 56 1071,796 1.305.645

Existing CT 40 536,193 1.297.518

Dari tabel di atas dapat digambarkan grafik efektivitas dan tingkat panas

yang dilepas antara data teori dengan data actual cooling tower PLTU Tenayan.

Gambar 4.14. Grafik Efektivitas

Cooling tower existing mempunyai kapasitas sebesar 40%, ketika dilakukan

upgrade dengan desain baru dengan penambahan lapisan fill pack sebanyak 20 lapis

dan merubah posisi nozzle dapat meningkatkan efektivitas menjadi 56%

56

40

0

10

20

30

40

50

60

efektivitas

Efektivitas CT


( %

)

23

Gambar 4.15. Grafik Kapasitas Pendinginan Cooling Tower

Dari grafik di atas dapat disimpulkan untuk kapasitas pendinginan cooling

tower existing dapat melepas kalor sebesar 1.297.518 kJ/s dan pada hamon

cooling tower type induced draft fan counter flow sekitar 1.305.645 kJ/s.

1305645

1297518

1292000

1294000

1296000

1298000

1300000

1302000

1304000

1306000

1308000

Kapasitas CT

Grafik Kapasitas Cooling Tower


kJ/

s

bab iv pengolahan data dan analisa cooling tower 4 · 2020. 10. 20. · 8 gambar 4.5. simulasi cfd...

Documents