## PERANCANGAN COOLING TOWER UNTUK ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE KAPASITAS SKALA LABORATORIUM
Sulis Yulianto,ST,MT 1 ,.Aan Urbiantoro 2
Lecture 1 ,College student 2 ,Departement of machine, Faculty of Engineering, University Muhammadiyah Jakarta, Jalan Cempaka Putih Tengah 27 Jakarta Pusat 10510, Tlp 021- 4244016,4256024, email : Sulis.Yulianto@yahoo.com

## ABSTRAK
Secara  umum  cooling  tower  dapat  dikategorikan  sebagai  pendingin  evaporatif yang  digunakan  untuk  mendinginkan  air  atau  media  kerja  lainnya  sampai bertemperatur  mendekati  temperatur  bola  basah  udara  sekitar.  Cooling  tower mampu  menurunkan  suhu  air  lebih  dari  peralatan-peralatan  yang  hanya menggunakan udara untuk membuang panas, seperti radiator dalam mobil, oleh karena  itu  biayanya  lebih  efektif  dan  efisien  energinya.oleh  karena  itu perancangan  Cooling  Tower    yang  akan  digunakan  untuk  Alat  Penukar  Kalor Shell  and  Tube  dengan  kapasitas  Skala  Laboratorium.  Cooling  tower  tersebut harus mampu menyediakan kembali sejumlah air yang relatif sejuk (dingin) yang akan  digunakan  kembali  dalam  sistem  Alat  Penukar  Kalor  dan    digunakan sebagai  pendingin lubrican oil. Dengan suplai air sejuk (dingin) yang tepat  dan kontinyu  maka  Alat  Penukar  Kalor  tersebut  dapat  bekerja  sesuai  dengan spesifikasi dan kondisi yang diharapkan, selain itu biaya yang dikeluarkan akan menjadi lebih efektif dan energi yang dikeluarkan lebih efisien.
Kata Kunci : Cooling Tower, Skala Laboratorium

## 1.PENDAHULUAN
Alat  yang  dibutuhkan  adalah  “cooling  tower/  menara  pendingin”.  Menurut literature  El.  Wakil, cooling  tower didefinisikan  sebagai  alat  penukar  kalor  yang  fluida kerjanya adalah air dan udara yang berfungsi mendinginkan air dengan kontak langsung dengan  udara  yang  mengakibatkan  sebagian  kecil  air  menguap.  Dalam  kebanyakan cooling  tower yang  bekerja  pada  sistem  pendinginan  udara  menggunakan  pompa sentrifugal untuk  menggerakkan  air  vertikal  ke  atas  melintasi  menara.  Semua cooling tower yang  bekerja  akan  melepaskan  kalor  melalui kondensor ,  refrijeran  akan  melepas kalornya kepada cooling tower sehingga air menjadi panas. Selanjutnya air panas ini akan dipompakan  ke cooling  tower .  Cooling  tower/  menara  pendingin  secara  garis  besar berfungsi  untuk  menyerap  kalor  dari  air  tersebut  dan  menyediakan  sejumlah  air  yang relatif  sejuk  (dingin)  untuk  dipergunakan  kembali  di  suatu  instalasi  pendingin  atau dengan  kata  lain  menara  pendingin  berfungsi  untuk  menurunkan  suhu  aliran  air  dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfer.
START

## PERENCANAAN AWAL DAN TUJUAN
STUDY LITERATUR

## PERAKITAN ALAT DAN INSTALASI
PERSIAPAN
- Setting dan kalibrasi  alat
- Trial  alat PENGAMBILAN DATA ANALISA PENYUSUNAN SKRIPSI SELESAI

## 2. DIAGRAM ALIR

## 3. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  Laboratorium  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik, Universitas  Muhammadiyah  Jakarta.  Penelitian  ini  dilaksanakan  dengan  menggunakan instalasi  menara  pendingin  hasil  perancangan  dan  akan  digunakan  sebagai  peralatan praktikum  bagi  mahasiswa  Universitas  Muhammadiyah  Jakarta,  khususnya  mahasiswa Teknik Mesin.

## 4. DATA HASIL PENELITIAN

## 4.1. Hasil Penelitian
Penelitian  untuk  menguji  kinerja Induced  Draft  Cooling  Tower ini  dilakukan dengan memvariasikan suhu heater pada penampungan oli dari temperatur 40ºC sampai dengan 60ºC serta memvariasikan waktu pengambilan data dalam kurun waktu setiap 30 menit sampai dengan 1 jam, sehingga akan diketahui range maksimum menara pendingin bekerja  dengan  optimal.  Untuk  debit  air  maksimum  menggunakan  spesifikasi  pompa dengan Q = 18 (ℓ/menit).
Penelitian dilaksanakan dalam kondisi lingkungan : RH in = 48,5 % - 75 % T db in = 31,1 ºC – 33,5 ºC
T wb in = 25,0 ºC – 28,0 ºC
Hasil pengujian menara pendingin untuk temperatur oli 60ºC ditunjukkan pada tabel Tabel 4.1 Data hasil pengujian menara pendingin
Berdasarkan hasil pengujian, range terbaik dari menara pendingin terjadi pada kondisi T wi = 33ºC dan T wo = 27ºC.

## 4.2. Pembahasan hasil penelitian
Berdasarkan  data  yang  diperoleh  maka  dapat  dihitung  besar  perpindahan  kalor yang dibuang air ke udara, dengan menggunakan persamaan (3.1). Perhitungan pindahan kalor dari air ke udara dapat dilihat sebagai berikut.
No. Waktu (menit) Q (ℓ/menit) T wb ( ⁰ C) T wo ( ⁰ C) T wi ( ⁰ C) T i-oil T o-oil P w P oil RH ao (%) 1 60 10 32.3
27 31 39.5 33 0 0 84.1 2 120 10 32.3
27 33 39.5 32 0.15 0.7 84.7 3 180 10 32.3
27.5 33 39 33 0.15 0.7 85 4 240 15
33 28.5 33.5 48.5 44 0.15 0.7 86 5 300 15 33
28.5 33 49 44 0.15 0.7 86 6 360 15 33 29 33.5 49 45 0.16 0.75 85.8 7 420 15 33
29 33.5 48 43.5 0.15 0.7 86.2 8 480 18 31.8
28.5 33 59.5 54 0.16 0.7 86.9 9 540 18 31.8 28.5 34 59 54 0.15 0.7 87.8 10 600 18 31.8
29 34
59 55 0.15 0.7 87.7
Setting Heater Oli 40 ⁰ C Setting Heater Oli 50 ⁰ C
Setting Heater Oli 60 ⁰ C
) 1 2 ( h h W q   Keterangan : ) / ( min) / ( 3 3 kg m spesifik udara volume m Udara Debit v Q = W    Dimana :
Q  = Debit udara
(m 3 /min) v  = Volume spesifik udara (m3/kg) h 1 = Entalpi udara masuk (kJ/Kg) h 2 = Entalpi udara keluar (kJ/Kg)

## a. Menguji kinerja menara pendingin
Untuk  menguji  kinerja  menara  pendingin  maka  data  hasil  penelitian  diolah dengan menggunakan bantuan software Psychometric Chart untuk mendapatkan harga entalpi  dari  kondisi  udara  masuk  dan  keluar  menara  pendingin.  Untuk  mendapatkan harga  entalpi (h) dari  tiap  temperatur  pada  perhitungan  laju  penyerapan  kalor  oleh udara di bawah ini, selengkapnya ditampilkan pada ref. [lampiran 1]. Perhitungan laju penyerapan  atau  pembuangan  kalor  oleh  udara  untuk  berbagai  kondisi  udara  sekitar menara pendingin serta perbedaan hari, dapat dilihat sebagai berikut :
a. Q  =10 (ℓ/menit)
T 1 = 32,3ºC ; RH 1 = 66,4% ; h 1 = 84,79 kJ/kg T 1 = 29,4ºC ; RH 1 = 84% ; h 1 = 85,67 kJ/kg
q b =   kg kJ kg m m h / 79 . 84 67 . 85 ) / ( 8830 . 0 min) / ( 845578696 . 64 min 60 3 3   = 3847,019 kJ/h = 1,0686 kJ/s = 1,0686 kW
b. Q  =15 (ℓ/menit)
T 1 = 33ºC ; RH 1 = 58,1% ; h 1 = 80,67 kJ/kg T 1 = 28,3ºC ; RH 1 = 86% ; h 1 = 82,23 kJ/kg
q b =   kg kJ kg m m h / 67 . 80 23 . 82 ) / ( 8830 . 0 min) / ( 845578696 . 64 min 60 3 3   = 6819,715 kJ/h = 1,8943 kJ/s = 1,8943 kW
c. Q  =18 (ℓ/menit)
T 1 = 31.8ºC ; RH 1 = 65% ; h 1 = 81.66 kJ/kg T 1 = 29.2ºC ; RH 1 = 87.8% ; h 1 = 87.40 kJ/kg
q b =   kg kJ kg m m h / 66 . 81 40 . 87 ) / ( 8830 . 0 min) / ( 845578696 . 64 min 60 3 3  
= 25093,05 kJ/h = 6,9702 kJ/s = 6,9702 kW
Dari  hasil  perhitungan  di  atas,  besarnya  laju  penyerapan  kalor  oleh  udara  yang terjadi pada menara pendingin adalah sebagai berikut :
Tabel 4.2 Hasil Analisa Data (T wi = 33ºC dan T wo = 27ºC)

## b. Kapasitas pendinginan
Kapasitas penyerapan kalor ( q ) maximum dari menara pendingin  yang dibangun berdasarkan  prinsip Thermodinamika ,  dapat  dihitung  dengan  menggunakan  persamaan (2.5) berikut ini:
s kJ T T Cp m q s kJ ΔT C m = q wo wi w w p / ) ( ) / (         Twi = 33ºC = 306 ºK Two  = 27ºC = 300 ºK
T w = 30ºC ; C pw = 4.1784 kJ/Kg.ºK  m = 0,0531 kg/s Maka nilai kapasitas pendinginan maksimum adalah : kW s kJ q K K kg kJ s kg = q 33 , 1 = / 33 , 1 = ) ° 6 × ° / 1784 , 4 × / 0531 , 0 (
c. Menghitung approach dan efisiensi menara pendingin
Approach yang  dicapai  dalam  penelitian  menara  pendingin  dapat  dihitung  dengan menggunakan persamaan (2.2) sebagai berikut :
Approach (°C) = (T out – T wb ) = 27ºC – 25,95ºC
= 1,05 ºC
Sehingga approach cooling tower penelitian adalah 1,05 ºC Sedangkan  efisiensi  atau kapasitas pendinginan menara pendingin dapat dihitung dengan persamaan (2.3) sebagai berikut :
 = 100%  ) ( ) ( wb in out in T T T T  
No. Q (ℓ/menit) q (kW)
RH aout (%) RH lingkungan (%) 1 10 1.0686 84.1 66.4 2 10 1.1732 84.7 66.4 3 10 1.249 85 66.4 4 15 1.5251 86 58.1 5 15 1.8943 86 58.1 6 15 1.9347 85.8 58.1 7 15 2.9835 86.2 58.1 8 18 4.8959 86.9 65 9 18 6.9702 87.8 65 10 18 6.9945 87.7 65
 = 100%  ) 95 . 25 33 ( ) 27 33 ( C C C C        ctr
= 85,10 % d. Kehilangan penguapan (drift loses)
Kehilangan  penguapan adalah  jumlah  air  yang  diuapkan  untuk  tugas pendinginan. Secara teoritis, jumlah penguapan mencapai 1.8m 3 untuk setiap 10.000.000 kkal  kalor  yang  dibuang.  Kehilangan  penguapan  ( drift  loses )  dihitung  dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
Kehilangan Penguapan (m 3 /h) =  0.0085  x  1,8  x  laju  sirkulasi  air  (m 3 /h)  x  (T 1 - T 2 )………………….. (4.1) Kehilangan penguapan = 0,0085 x 1,8 x 0,0588 (m 3 /h) x 6ºC Kehilangan penguapan = 5,4 x 10 -4 m 3 /h = 1,994 m 3 /s
Maka kehilangan penguapan yang terjadi pada T w in = 33 o C dan T w out = 27 o C, adalah sebesar 1,944 m 3 /s.
e. Perbandingan Cair –Gas (L/G)
Melalui prinsip termodinamika diketahui bahwa panas yang dibuang dari air  harus  sama  dengan  panas  yang  diserap  oleh  udara  sekitarnya.  Berdasarkan  prinsip tesebut  maka  besarnya  perbandingan  jumlah  cair  terhadap  gas  (L/G)  dalam  menara pendingin yang dibangun dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
L (T 1 -T 2 ) = G (h 1 -h 2 )………………………………………………….. (4.2)
L/G = Perbandingan aliran massa cair – gas (kJ/kgºC) T 1 = Temperatur air masuk menara pendingin (ºC) = 33(ºC) T 2 = Temperatur air keluar menara pendingin (ºC) = 27(ºC) h 1 = Entalpi air masuk menara pendingin (kJ/kg) h 2 = Entalpi air keluar menara pendingin (kJ/kg) h 1 = 81,66 (kJ/kg) h 2 = 87,40 (kJ/kg)
L/G  = (87,40 – 81,66)kJ/kg / (33 – 27) ºC = 0,95 kJ/kgºC

## f. Pindahan panas pada filler
Untuk  mengetahui  pindahan  panas  pada  lapis  filler  maka  dapat  kita  gunakan rumus  pindahan  panas  dengan  kontak-langsung.  Namun  terlebih  dahulu  dihitung  kalor yang dibuang air ke udara dari prinsip thermodinamika, dengan menggunakan persamaan (2.5) maka diperoleh nilai kalor (q) sebagai berikut :
kW s kJ q s kJ K K kg kJ s kg = q 33 , 1 = / 33 , 1 = ) / ( ) ° 6 × ° / 1784 , 4 × / 0531 , 0 (
Untuk  menghitung  pindahan  panas  secara  kontak  langsung  dapat  dihitung  dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
V T a U q      ……………………………………...(4.3) Spesifikasi filler H = lebar = 1 cm Hb = tinggi = 0.5 cm Vb = panjang = 1.5 cm Tebal (t) = 0.5 cm
Gambar 4.1 Penampang belahan filler menara pendingin
Besarnya koefisien pindahan panas menyeluruh (U) untuk kasus kontak langsung (direct-contact)  pada  menara  pendingin,  seperti  yang  diambil  dari Engineering  School San  Sebastian  Technological  Campus ,  maka  diperoleh  nilai  koefisien  pindahan  panas menyeluruh (U) seperti pada tabel 4.3 di bawah ini :
Tabel 4.3 Harga koefisien pindahan panas menyeluruh

## Sumber : (Engineering School San Sebastian Technological Campus)
Berdasarkan  tabel  di  atas,  untuk  koefisien  pindahan  panas  menyeluruh (U), gases  – water besarnya  antara 10  – 250 (W/m 2 .K), dengan kondisi  (q),  ΔT dan V konstan, maka untuk koefisien pindahan panas  (U)  yang  bervariasi  antara  10  –  250  (W/m 2 .K),  dapat  dihitung  dengan persamaan (4.3), sebagai berikut :
V T a U q      V T U q a     U 1 = 10 W/m 2 .K q = 1330 W V
= 0,1732 m 3 ΔT = 0,65 o K 3 2 1732 , 0 × ° 65 , 0 × . / 10 1330 = m K K m W W a a = 1181,382 m 2 /m 3
Tabel 4.4 Variasi nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh (U)
Menurut Ramarao and Shivaraman, untuk Menara Pendingin, maka besarnya nilai desain dari berbagai jenis bahan pengisi dapat dilihat dalam tabel 4.4 berikut ini :
Tabel 4.5 Nilai desain dari berbagai jenis bahan pengisi
Sumber : Ramarao and Shivaraman, Bureu Efficiency Energy : India , 2004
Untuk bahan pengisi jenis film fill luas bidang kontak pindahan panas yang efektif adalah  150  m 2 /m 3 .  Bila  disesuaikan  luas  bidang  kontak  pindahan  panas  ini terhadap  tabel  (4.4)  Berbagai  variasi  nilai  koefisen  pindahan  panas  menyeluruh (U),  maka  harga  koefisen  pindahan  panas  menyeluruh  (U),  yang  sesuai  terletak antara  70  W  /m 2 .K  –  80  W  /m 2 .  Dengan  menginterpolasi  maka  harga  koefisien pindahan panas menyeluruh (U), didapat sebagai berikut :
Maka, harga perpindahan panas menyeluruh (U 150 ) didapatkan :
[ ] K m W U K m W K m W U m m m m K m W K m W U . / 7588 , 75 = . / 70 + . / 10 × ) 87588 , 0 ( = / ) 77 . 168 - 67 . 147 ( / ) 77 . 168 - 150 ( = . / ) 70 - 80 ( . / ) 70 - ( 2 150 2 2 150 3 2 3 2 2 2 150
Sehingga  diperoleh  harga  koefisien  pindahan  panas  menyeluruh  (U)  untuk  luas  bidang kontak pindahan panas (a) sebesar 150 m 2 /m 3 , adalah,78,7588 W /m 2 .K.

## 5.1. KESIMPULAN
 Menara pendingin dengan range yang tinggi berarti bahwa menara pendingin telah mampu  menurunkan  suhu  air  secara  efektif,  dan  memiliki  kinerja  yang  bagus. Dalam  penelitian  ini  range  selisih  maksimum  yang  dapat  dicapai  dari  menara pendingin adalah sebesar 6ºC.
 Approach yang  dicapai  pada  penelitian  dengan  beban oil  cooler adalah  1,05  ºC. Semakin rendah nilai approach semakin baik kinerja menara pendingin.
o Efisiensi yang diperoleh pada menara pendingin rancangan adalah :  ctr = 85,10 %. o Dari  hasil  penelitian  dan  perhitungan  di  atas,  menara  pendingin  dapat  dikatakan memiliki efisiensi yang baik dengan nilai > 85%.
 Kapasitas  pendinginan  menara  pendingin  rancangan  yang  diperoleh  sebagai  hasil kali dari kecepatan aliran masa air, panas spesifik dan perbedaan suhu yaitu : q ctr = 1,33 kJ/s.
o Kehilangan penguapan yang terjadi selama proses pendinginan air didalam menara
pendingin  adalah  sebesar 1,944  m 3 /s. Dari  nilai  di  atas  dapat  diketahui  bahwa penguapan  yang  terjadi  pada  menara  pendingin  cukup  besar,  dengan range suhu yang lebih besar.
 Perbandingan  antara  laju  aliran  massa  air  dan  udara  pada  menara  pendingin rancangan dengan T w in = 33 o C dan T w out = 27 o C adalah sebesar 0,95 kJ/kg , dari nilai  ini  dapat  kita  lihat  bahwa  jumlah  perbandingan  cair-gas  yang  lebih  besar terjadi pada range menara pendingin yang lebih tinggi hal ini karena jumlah zat cair lebih banyak dibandingkan jumlah kandungan gas, karena dengan tingginya range air maka laju penguapan akan semakin besar pula yang mengakibatkan kandungan gas semakin sedikit di dalam menara pendingin.
 Pertambahan  debit  air (Q) mengakibatkan  pertambahan  laju  penyerapan  kalor (q) oleh udara pada menara pendingin (Gambar 4.1).
 Pertambahan  debit  air (Q) mengakibatkan  pertambahan  kelembaban (RH) menara pendingin, hal ini karena jumlah volume uap yang mengalir pada menara pendingin bertambah seiring dengan pertambahan laju debit air (Gambar4.2).
o Luas  bidang  kontak  langsung (direct-contact) antara  air  dengan  udara (a) pada menara  pendingin  adalah 150  m 2 /m 3 ,  sedangkan  harga  untuk  koefisien  pindahan panas menyeluruh (U) adalah sebesar 78,7588 W /m 2 .K.
 Dengan kemiripan spesifikasi dan pertimbangan harga serta ketersediaan di pasaran Indonesia,  maka  jenis  menara  pendingin  yang  digunakan  dalam  sistem  adalah menara pendingin Liang Chi LBC-5.
 Parameter-parameter menara pendingin juga sangat dipengaruhi oleh kondisi ruang penempatan serta udara luar.

## 5.2.SARAN
 Dalam penelitian selanjutnya hendak variasi terhadap parameter-parameter lainnya lebih banyak dilakukan, seperti kecepatan daya hisap blower , laju aliran massa air, serta susunan dan jenis bahan pengisi. lebih banyak dilakukan, untuk mendapatkan data yang lebih bervariasi.
 Untuk melakukan  penelitian  selanjutnya  hendaknya  pengkondisian  suhu  dan kelembaban  lingkungan  tempat  dilakasanakannya  penelitian  diusahakan  pada kondisi yang konstan, agar didapat data yang lebih teliti.
 Untuk penelitian selanjutnya hendaknya alat-alat yang digunakan dapat disimpan di laboratorium,  sehingga  memudahkan  bagi  tim  peneliti  bila  ingin  melakukan percobaan.
 Dikarenakan alat  tersebut  akan digunakan sebagai  alat praktikum  bagi  mahasiswa, khususnya mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Jakarta, maka faktor keamanan serta keselamatan juga harus dijadikan perhatian.
 Perlu  dilakukan  penelitian  selanjutnya  terhadap  peralatan  yang  sudah  ada  untuk mendapatkan spesifikasi dan hasil yang lebih efektif dan efisien.

## DAFTAR REFERENSI
1. ASHRAE Inc., (2008). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment . SI Edition. Atlanta.
2. Bell, Dr. K. J. And DR. A. C. Mueller, (2001). “Wolverine Engineering Databook II,” Wolverine Tube, Inc. Research and Development Team”.
3. Çengel, Yunus A., (2004). Thermodynamics – An Engineering Approach. Fourth Edition. Mc-Graw Hill, New York.
4. Engineering  School  San  Sebastian  Technological  Campus  of  University  of Navaras. A.Y., University of Navaras : Mexico, 2006.
5. EPRI  JOURNAL,Technolgy  Inovation  Program,  Volume  1014487,  United  State of America, Summer : 2007
6. Fibreglass  Cooling  Tower  Counterflow  Induced  Draft,  LIANG  CHI  Industry Co.Ltd Marketing Brosur, Pa Li Hsiang Taipe Hsien-Taiwan.
7. Hensley,  John  C.,  (2006).  Cooling  Tower  Fundamentals.  Second  Edition.  SPX, Cooling Technologies Inc., Kansas.
8. Holman, J. P., (1992). Heat Transfer . Seventh Edition. Mc-Graw Hill, New York.
9. Kakaç, Sadik and Hongtan Liu, (2002). “ Heat Exchangers Selection, Rating and Thermal Design Second Edition,” CRC Press, Boca Raton, Florida 33431”.
10. McDowall,  R.,  (2006). Fundamentals  of  HVAC  Systems .  First  Edition.  Elsevier, Oxford.
11. M.M.El-Walkil,  (1992).  Instalasi  Pembangkit  Daya,  Jilid  1,  Cetakan  I.  Penerbit Erlangga : Jakarta.
12. Ramarao  R.A  Towers  and  Equipment  Ltd.  and  Shivaraman  Tower  Tech  Ltd, Selection  and  Design  of  Cooling  Towers  ,  Design  Values  of  Different  Type  of Fill, Bureu Efficiency Energy : India , 2004.