PRINSIP KERJA COOLING TOWER PADA SISTEM AC SENTRAL

By: Budi Haryanto on: Wed 07 of May, 2008 08:16 WIT (10737 Reads)

(2738 bytes)

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 dikontakkan langsung dengan udara secara konveksi paksa menggunakan fan/kipas. Konstruksi cooling tower terdiri dari system pemipaan dengan banyak nozzle, fan/blower, bak penampung, casing, dsb.

Proses yang terjadi pada chiller atau unit pendingin untuk system AC sentral dengan system 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 system pemipaan yang terhubung dari satu komponen ke komponen lainnya. Kondensor pada chiller biasanya berbentuk water-cooled condenser yang menggunakan air untuk proses pendinginan refrigeran. Secara umum bentuk konstruksinya berupa shell & tube dimana air mengalir memasuki shell/ tabung dan uap refrigeran superheat mengalir dalam pipa yang berada di dalam tabung sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Uap refrigeran superheat berubah fasa menjadi cair yang memiliki tekanan 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. Langkah pertama adalah memompa air panas tersebut menuju cooling tower melewati system pemipaan yang pada ujungnya memiliki banyak nozzle untuk tahap spraying atau semburan. Air panas yang keluar dari nozzle secara langsung melakukan kontak dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena pengaruh.fan/blower yang terpasang pada cooling tower. Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet-bulb udara. Air yang sudah mengalami penurunan temperature ditampung dalam bak/basin untuk kemudian dipompa kembali menuju kondensor yang berada di dalam chiller. Pada cooling tower juga dipasang katup make up water yang dihubungkan ke sumber air terdekat untuk menambah kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air ketika proses evaporative cooling tersebut. Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam “range” dan “approach”, dimana range adalah penurunan suhu air yang melewati cooling tower dan approach adalah selisih antara udara suhu udara wet-bulb dan suhu air yang keluar. Perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower berlangsung dari air ke udara tak jenuh. Ada dua penyebab terjadinya perpindahan kalor yaitu perbedaan suhu dan perbedaan tekanan parsial antara air dan udara. Suhu pengembunan yang rendah pada cooling tower membuat sistem ini lebih hemat energi jika digunakan untuk system 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 system pemipaan yang relative panjang. Selain itu juga biaya perawatan cooling tower cukup tinggi dibandingkan system lainnya.

Kategorisasi oleh udara-air-flow

CrossflowCrossflow adalah sebuah desain di mana aliran udara diarahkan tegak lurus aliran air (lihat diagram di bawah).

aliran udara masuk satu atau lebih wajah vertikal menara pendingin untuk memenuhi bahan mengisi. Air mengalir (tegak lurus ke udara) melalui mengisi oleh gravitasi. Udara terus melalui mengisi dan dengan demikian melewati aliran air menjadi area sidang pleno terbuka. Sebuah distribusi atau baskom air panas yang terdiri dari sebuah panci yang mendalam dengan lubang atau nozel di bawah ini digunakan dalam menara crossflow. Gravity mendistribusikan air melalui nozel merata di seluruh bahan isi.

CounterflowDalam desain counterflow aliran udara secara langsung berlawanan dengan aliran air (lihat diagram di bawah). aliran udara pertama memasuki area terbuka di bawah isi media dan kemudian disusun secara vertikal. Air disemprotkan melalui nosel bertekanan dan mengalir ke bawah melewati mengisi, berlawanan dengan aliran udara.

Umum untuk kedua desain:• Interaksi antara udara dan aliran air memungkinkan pemerataan parsial dan penguapan air.• Udara, sekarang jenuh dengan uap air, dibuang dari menara pendingin.• Kumpulan atau baskom air dingin digunakan untuk berisi air setelah interaksinya dengan aliran udara.Kedua crossflow dan desain counterflow dapat digunakan dalam konsep alam dan konsep menara pendingin mekanik.

Menara pendingin sebagai gas buang stack

Di beberapa pembangkit listrik modern, dilengkapi dengan pemurni gas buang seperti Staudinger Grosskrotzenburg Power Station Power Station dan Rostock, menara pendingin juga digunakan sebagai gas buang stack (cerobong asap industri). Pada tanaman tanpa pemurnian gas buang, masalah dengan korosi dapat terjadi

.

Dasar menara pendingin dengan air terjunMenara pendingin Basah material balanceSecara kuantitatif, saldo material di sekitar sistem, menara pendingin evaporative basah diatur oleh variabel operasional laju aliran makeup, penguapan dan kerugian windage, draw-off bunga, dan siklus konsentrasi: [5]

M = Make-up water in m³/hrC = Circulating water in m³/hrD = Draw-off water in m³/hrE = Evaporated water in m³/hrW = Windage loss of water in m³/hrX = Concentration in ppmw (of any completely soluble salts … usually chlorides)XM = Concentration of chlorides in make-up water (M), in ppmwXC = Concentration of chlorides in circulating water (C), in ppmwCycles = Cycles of concentration = XC / XM (dimensionless)

ppmw = parts per million by weight

Dalam sketsa di atas, air dipompa dari cekungan menara pendingin adalah air disalurkan melalui proses pendingin dan kondensor di fasilitas industri. Air dingin menyerap panas dari proses aliran panas yang perlu didinginkan atau terkondensasi, dan panas yang diserap menghangatkan air beredar (C). Kembali air hangat ke puncak menara pendingin dan menetes ke bawah atas bahan mengisi dalam menara. Seperti menetes ke bawah, udara ambien itu bangkit kontak melalui menara baik oleh draft alami atau forced draft menggunakan kipas besar di menara. kontak Hal itu menyebabkan sejumlah kecil air yang akan hilang sebagai windage (W) dan sebagian air (E) menguap. panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air berasal dari air itu sendiri, yang mendinginkan air kembali ke suhu baskom air asli dan air kemudian siap untuk recirculate. Air menguap garamnya terlarut daun belakang di sebagian besar air yang belum menguap, sehingga meningkatkan konsentrasi garam dalam air pendingin yang bersirkulasi. Untuk mencegah konsentrasi garam dari air menjadi terlalu tinggi, sebagian air yang diambil dari (D) untuk pembuangan. Fresh air makeup (M) diberikan ke bak menara untuk mengkompensasi hilangnya air menguap, windage kehilangan air dan air draw-off.Sebuah neraca air di sekitar seluruh sistem adalah:

M = E + D + W

Karena air yang menguap (E) tidak memiliki garam, keseimbangan klorida di sekitar sistem ini:

M (XM) = D (XC) + W (XC) = XC (D + W)

dan, karena itu:XC / XM = Cycles of concentration = M ÷ (D + W) = M ÷ (M – E) = 1 + [E ÷ (D + W)]

Dari keseimbangan panas disederhanakan sekitar menara pendingin:

E = C · ΔT · cp ÷ HV

dimana:HV = latent heat of vaporization of water = ca. 2260 kJ / kgΔT = water temperature difference from tower top to tower bottom, in °Ccp = specific heat of water = ca. 4.184 kJ / (kg°C)

Windage (atau drift) kerugian (W) dari skala besar menara pendingin industri, dengan tidak adanya data pabrikan, mungkin bisa diasumsikan sebagai:W = 0,3 menjadi 1,0 persen dari C untuk sebuah draft menara pendingin alami tanpa drift eliminator windageW = 0,1-0,3 persen dari C untuk menara pendingin induced draft tanpa drift eliminator windageW = sekitar 0,005 persen dari C (atau kurang) jika menara pendingin memiliki drift eliminator windageSiklus konsentrasi merupakan akumulasi mineral terlarut dalam air pendinginan sirkulasi. Draw-off (atau blowdown) digunakan terutama untuk mengontrol penumpukan mineral.Kimia air makeup termasuk jumlah mineral terlarut dapat sangat bervariasi. Makeup air mineral terlarut rendah seperti dari persediaan air permukaan (danau, sungai dll) cenderung agresif untuk logam (korosif). Makeup air dari persediaan air tanah (sumur) biasanya lebih tinggi pada mineral dan cenderung scaling (deposit mineral). Meningkatkan jumlah mineral hadir dalam air dengan bersepeda dapat membuat air kurang agresif untuk perpipaan namun tingkat mineral berlebihan dapat menyebabkan masalah scaling.Sebagai siklus peningkatan konsentrasi air mungkin tidak mampu menampung mineral dalam larutan. Ketika kelarutan mineral ini telah melebihi mereka dapat mempercepat keluar sebagai padatan mineral dan

menyebabkan fouling dan masalah panas pertukaran dalam menara pendingin atau penukar panas. Suhu air sirkulasi, pipa dan permukaan panas pertukaran menentukan apakah dan dimana mineral, akan terbentuk dari air sirkulasi. Seringkali seorang konsultan profesional perawatan air akan mengevaluasi makeup air dan kondisi operasi menara pendingin dan merekomendasikan rentang yang sesuai untuk siklus konsentrasi. Penggunaan bahan kimia pengolahan air, pretreatment seperti pelunakan air, penyesuaian pH, dan teknik lain dapat mempengaruhi rentang diterima siklus konsentrasi.

CORROSION UNDER INSULATION

KOROSI SISTEM PERPIPAAN

CORROSION UNDER INSULATION (KOROSI DI BAWAH ISOLASI)

Oleh : Manik Priandani, Process & Corrosion Engineer

Pipa-pipa yang dibungkus isolator panas juga bisa mengalami masalah korosi karena sel aerasi-differensial yang terbentuk di balik / di bawah isolasi. Isolator yang terbuat dari bahan penghambat perambatan panas juga berfungsi sebagai sumbu yang merembeskan air ke bagian lain. Korosi di bawah isolasi digolongkan sebagai korosi atmosferik dengan faktor penyebab air. Air yang mungkin berasal dari hujan, kabut, atau pengembunan akibat kelembaban relatif tinggi.

Kabut dan pengembunan bisa mendatangkan bahaya korosi dari udara karena membasahi seluruh permukaan termasuk yang tersembunyi. Lapisan-lapisan tipis air dari kabut dan embun tidak akan mengalir dan akan tetap di situ sampai menguap oleh hembusan angin atau meningkatnya temperatur. Untuk memulai serangan, selapis tipis air yang tidak kelihatan sudah lebih dari cukup. Kebanyakan logam seperti besi, baja, nikel, tembaga, dan seng mengalami korosi bila kelembaban relatif lebih besar dari 60 %. Jika kelembaban lebih dari 80 %, karat pada besi dan baja menjadi higroskopik (menyerap air) dan dengan demikian laju serangan meningkat lagi.

1.1.      Ekonomi dan Safety

Laju korosi di bawah isolasi dalam kondisi basah memiliki laju 20 kali lebih besar dibandingkan pada kondisi atmosferik (ambient). Bila pipa yang terkorosi harus diperbaiki / diganti, maka diperlukan biaya bermilyar-milyard untuk satu Pabrik, tidak termasuk kehilangan produksi serta akibat keseluruhan dari Pabrik yang mati (shut down).

Karena tidak terlihat, maka corrosion under insulation (CUI) seakan terjadi secara mendadak, dan dapat menimbulkan kebocoran dengan potensial terjadinya bahaya, khususnya pada aliran fluida yang berbahaya, sehingga memicu terjadinya kenaikan temperature atau tekanan pada vessel.

1.2. Kondisi

Tiga faktor yang diperlukan sehingga terjadi korosi di bawah isolasi (corrosion under insulation / CUI) :

1. Air

Air akan terbawa selama penyimpanan isolasi ataupun pada saat pemasangan, karena kebocoran system, tidak efektifnya waterproofing, pemeliharaan yang kurang baik atau ”service lapses”.

1. Kandungan Bahan Kimia dalam Air.

Bila pH turun di bawah 4, korosi akan berlangsung sangat cepat. Seperti  korosi asam (acidic corrosion) umumnya terjadi pada material Carbon Steel. Sehingga selalu dijaga kondisi pH isolasi berada pada kondisi netral/alkali pada range antara 7,0  – 11,7.

Dengan material austenitic stainless steel, masalah utama yang perlu diperhatikan adalah kandungan Chlorida bebas dan mechanical stress. Pada kenyataannya, untuk menjamin kualitas isolasi yang kontak langsung dengan stainless steel, diperlukan isolasi yang tidak (sangat sedikit) mengandung chloride dan flouride. Di Amerika Serikat dan beberapa negara lain, level ini diimbangi / dilawan dengan isolasi yang melepaskan ion natrium dan silikat. Ion Chloride yang terlepas juga dipicu oleh air hujan, pabrik   maupun cooling tower atmosferik, atau juga portable water yang biasa dipakai untuk fire fighting (pemadam kebakaran), flushing ataupun pencucian area. Laju dan tingkat keparahan serangan biasanya ditentukan oleh konduktivitas elektrolit, yang bergantung pada kadar bahan pengotor yang terlarut. Bahan pengotor ini berbeda-beda, dari karbon dioksida (membentuk larutan agak asam), ion-ion ammonium, serta ion-ion klorida di lingkungan laut. Di lingkungan laut, terutama di pesisir (seperti lingkungan PKT), laju korosi bisa lebih tinggi.

c. Temperatur

Temperatur berpengaruh terhadap korosi atmosferik melalui dua cara :

1. Peningkatan temperatur biasanya diikuti oleh peningkatan laju reaksi. Temperatur service antara 32°F dan 212°F (0°C dan 100°C) memungkinkan air masih dalam bentuk cair. Dengan range temperatur tersebut, laju korosi akan naik dua kali setiap kenaikan temperatur 27°F sampai 36°F (15°C sampai 20°C). Potensial korosi maksimum umumnya berada di antara kedua range tersebut. Stress Corrosion Cracking yang diinduksi oleh Chloride pada material Carbon Steel umumnya terjadi pada range ambient (atau bisa juga di bawah) dari 248°F (120°C).

2. Perubahan temperatur berpengaruh terhadap kelembaban relatif dan dapat menyebabkan pengembunan pada titik embun (dew point condensation). Jika temperatur turun lebih rendah dari titik embun, udara menjadi jenuh dengan uap air dan titik-titik air akan mengendap pada setiap permukaan yang terbuka. Pengembunan bisa terjadi di semua permukaan yang cukup dingin, baik di luar maupun di dalam isolasi. Titik-titik air dapat menggenang pada tempat-tempat tertentu dan membentuk kolam elektrolit yang tersembunyi dalam suatu struktur sehingga korosi terjadi di tempat yang tidak disangka-sangka.

Selain itu ada dua kondisi temperatur korosi yang khusus yaitu :

1. Temperatur siklis yang mempercepat korosi,

2. Temperatur extreme yang tercapai selama terjadinya shut down pabrik, di mana air terakumulasi tanpa pembekuan atau evaporasi (pada kondisi ini penggantian isolasi harus direkomendasikan).

1.3.      Pencegahan CUI

Tiga langkah untuk mengurangi / menanggulangi masalah korosi di bawah isolasi (corrosion under insulation = CUI) adalah :

1. Mencegah adanya vapor (uap air) :

Hal ini merupakan tindakan yang paling penting, namun penghilangan uap air dengan mencegah adanya uap air kelihatannya cukup sulit.

1. Other Barriers (Pemakaian Penghalang yang lain, selain Isolasi)

Penghalang lain seperti cat (paints) atau mastics (misalnya silicones, epoxy phenolics, coal tar epoxies dan bitumens) dapat dipakai sebagai pencegah secara fisik untuk air yang akan kontak langsung dengan peralatan. Dengan material-material tersebut, maka persiapan permukaan menjadi masalah yang kritis, dan bebas cacat dalam pengecatan sangat penting. Aluminium foil dapat juga dipakai sebagai barikade fisik sebagus lapisan proteksi katodik.

1. Proper Insulation

Alternatif ketiga adalah pemilihan isolasi yang tepat dengan meminimalkan water intrusion.  Meminimalkan adanya air akan mengurangi laju korosi logam.

1.4.      Tipe Isolasi

Umumnya Isolasi dibagi menjadi dua katagori :

1. Untuk temperatur rendah.

Isolasi untuk temperatur rendah termasuk polyurethane dan polyisocyanurate cellular plastics, sebagus phenolics. Dari kesemuanya, akan membentuk larutan asam (pH 2 – 3) dalam air.

1. Untuk temperatur tinggi.

1.5.      Beberapa Pengalaman tentang CUI

Terjadi pada Exxon bahwa isolasi polyurethane pada tangki panas, sejumlah korosi ditemukan ketika isolasi dilepas. Air bersama halogen di dalam isolasi memberikan kondisi pH 1 dan mempercepat korosi logam. Sumber halogen adalah fire retardant dari pemakaian polyurethane. Akhirnya, Exxon mengurangi masalah tersebut degan merubah tipe isolasi.

Potensial dengan mengubah lingkungan asam dengan memakai plastik polyurethane cellular selanjutnya tidak tepat lagi karena senyawa chloride – phsogene dipakai pada produk ini. Konsekuensinya, pabrik menyebutkan bahwa permukaan metal harus diproteksi dengan corrosion – inhibiting coating.

Contoh lain dari kegagalan akibat korosi dengan isolasi polyurethane juga terjadi pada pipa-pipa oil dan gas ARCO, di mana 85 % dari dinding pipa telah berkarat setelah kurang dari 10 tahun beroperasi. Penetrasi komplit pada atap tangki oil panas di Belanda; korosi sumuran yang dalam dan korosi merata pada tangki storage gas dingin di Inggris dan Saudi Arabia; dan stress corrosion cracking pada vessel brewery yang terbuat dari material stainless steel.

Phenolics, di pihak lain, juga bersifat asam, dipakai juga di pabrik, dan dapat menciptakan lingkungan menjadi pH 1,8.

Katagori mengenai isolasi termasuk aplikasi temperatur tinggi. Salah satu di antaranya adalah : Calcium silikat, perlite, mineral wood, dan febrious glass Absorbent fiberous glass). Walau masing-masing dikenal porous, calcium silikat dan fiberous glass umumnya banyak menyebabkan masalah.

System Exxon telah memiliki pengalaman yang cukup banyak mengenai hubungan antara korosi yang diakibatkan keberadaan air yang melepas chloride dengan pemakaian isolasi calcium silikat. Di Monsato, calcium silikat memberikan banyak masalah. Di Eropa pada saat meeting tentang korosi di bawah lagging, konsekuensinya adalah bahwa calcium silikat adalah tidak cocok untuk senyawa agresif. England’s Institution of Chemical Engineer yang mem-warning bahwa calcium silikat dan menimbulkan resiko untuk stress corrosion dengan mengijinkan terjadinya pengembunan pada permukaan hot metal. Sementara beberapa isolasi mengandung inhibitor stress crack, namun bila system telah melebihi life timenya, maka kemampuan inhibitor untuk mencegah crack akan menurun drastis. ARCO dan Esso di Belanda, DuPont, Exxon, dan Gulf mempunyai pengalaman yang sama tentang isolasi absorbent fibroud glass.

2.      FUNGSI PEMASANGAN ISOLASI

Sesuai spesifikasi dalam pemasangan isolasi yang disebutkan dalam setiap spesifikasi proyek di PKT, maka Spesifikasi cover suatu peralatan (vessel, piping, peralatan mekanikal atau item-item lain yang diperlukan) dengan memasang Isolasi adalah :

1. Pada peralatan pada kondisi normal operasi beroperasi pada temperatur antara 60 s/d 550°C.

2. Nozzles dan flanges pada peralatan dan piping juga harus di-isolasi seperti juga peralatan dan piping yang teriisolasi.

3. Isolasi on skirt dan leg supported vessels harus berada di 0,6 meter di bawah tangen line.

4. Personal protection untuk pipa yang harus idisolasi minimal setinggi 2,5 meter di atas grade, platform, dan level operasi yang lain.

5. Isolasi untuk personnel protection harus dipasang bila pipa dan dinding peralatan bertemperatur ³ 60°C.