Air pendingin dan menara pendingin: rentang, pendekatan, penguapan, siklus konsentrasi, blowdown, percikan, Legionella, dan pengolahan kimia

Ruang pendingin dan dua mesin es di dapur sebuah rumah sakit memakai kondensor berpendingin air. Airnya bersirkulasi ke menara pendingin kecil di atap. Pada musim kemarau suhu ruang pendingin mulai naik sore hari, dan mesin es tidak lagi memenuhi kebutuhan dapur. Teknisi yang naik ke atap menemukan bahan isian menara tertutup kerak putih, lumut hijau di bak, dan konduktivitas air menara hampir sepuluh kali konduktivitas air pengganti. Katup pembuangan menara sudah lama ditutup karena dianggap memboroskan air. Salah satu panel penangkap percikan patah, dan menara itu hanya beberapa meter dari lubang udara segar unit tata udara gedung.

Dua masalah terjadi bersamaan. Kerak dan lumpur membuat menara tidak lagi mendinginkan air dengan baik, sehingga kondensor bekerja pada suhu lebih tinggi dan kapasitas pendinginan turun. Air hangat yang tergenang, berlumut, dan memercik ke udara di dekat lubang udara segar adalah keadaan yang dikenal sebagai risiko Legionella. Bab ini menjelaskan cara kerja air pendingin dan menara pendingin, cara menghitung air yang menguap dan yang harus dibuang, dan perawatan yang mencegah kedua masalah itu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sistem air pendingin kecil dan menengah di gedung, dapur, rumah sakit, dan laundry: kondensor berpendingin air, menara pendingin terbuka, sirkuit tertutup, dan pendingin air. Siklus refrigerasi dan COP ada di Fisika 213 dan Fisika 197, refrigerasi komersial dan mesin es di bab refrigerasi dan mesin es, psikrometri dan ventilasi di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas, kerak dan kesadahan di Kimia 202, dan pengendalian Legionella pada air panas di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas. Mikrobiologi air dibahas lebih lanjut di rak Biologi. Sumbernya adalah narasi Utilitas Industri, narasi Fluida dan Termal, dan pengetahuan teknik umum yang ditandai di peta sumber. Batas mutu air, program bahan kimia, dan persyaratan pengendalian Legionella ditetapkan oleh pabrik, penyedia pengolahan air, dan peraturan kesehatan yang berlaku; angka di bab ini adalah angka latihan atau nilai literatur umum.

Air pendingin di gedung, dapur, dan laundry

Mesin pendingin, kompresor, dan proses panas harus membuang panasnya ke suatu tempat. Buku kimia dalam narasi mencatat bahwa air pendingin dalam jumlah besar diperlukan untuk mengembunkan uap agar dapat dipakai ulang, dan buku fisika dalam narasi mencatat bahwa menara pendingin juga umum dipakai untuk membuang panas buangan. Di fasilitas yang menjadi sasaran rak ini, air pendingin dipakai untuk:

1. Kondensor pendingin air pada sistem tata udara gedung dan rumah sakit.
2. Kondensor berpendingin air pada ruang pendingin, lemari pembeku besar, dan mesin es.
3. Pendinginan kompresor udara, pompa vakum, dan peralatan proses.
4. Pendinginan bertahap air buang panas dan kondensat, kadang dengan penukar panas.

Sebagai pembanding, buku produk pendingin air dalam narasi mencatat bahwa pendingin air berpendingin udara membuang panas ke udara sekitar melalui kumparan kondensor dan kipas, tanpa menara.

Sistem sekali lewat, tertutup, dan terbuka

Sekali lewat: air bersih dari jaringan atau sumur mengalir melalui kondensor lalu dibuang. Sederhana, tetapi memboroskan air dalam jumlah sangat besar, dan pada banyak tempat tidak diperbolehkan atau sangat mahal.

Sirkuit tertutup: air atau campuran glikol bersirkulasi dalam pipa tertutup, dan panasnya dibuang melalui radiator berkipas atau penukar panas. Air sirkuit tidak menguap, sehingga hampir tidak perlu ditambah; sirkuit tertutup yang terus memerlukan tambahan cairan sedang bocor, seperti studi kasus di bab refrigerasi dan mesin es.

Sirkuit terbuka dengan menara pendingin: air yang panas dari kondensor dialirkan ke menara, sebagian kecil menguap, dan penguapan itu mendinginkan sisanya. Air yang menguap harus diganti, dan zat terlarut yang tertinggal harus dibuang. Sistem ini memakai air jauh lebih sedikit daripada sekali lewat, tetapi memerlukan perawatan air yang teratur.

Perbedaan pemakaian airnya besar. Untuk beban 175 kW seperti pada Contoh 2, sistem sekali lewat yang menaikkan suhu air 10 °C memerlukan sekitar $175/(4{,}19 \times 10) \times 3{,}6 = 15$ m³/jam air bersih, sedangkan menara pendingin pada siklus konsentrasi 4 hanya memerlukan sekitar 0,35 m³/jam air pengganti (Contoh 4). Bab 1 memasukkan aliran-aliran seperti ini ke dalam neraca utilitas, sehingga air pendingin terlihat sebagai pemakai air dan energi tersendiri.

Cara kerja menara pendingin

Air panas disemprotkan atau dialirkan di atas bahan isian yang memperluas permukaan kontak air dengan udara. Kipas menarik atau meniupkan udara melalui isian. Sebagian air menguap dan mengambil kalor lateninya dari air sisanya, sehingga air yang jatuh ke bak di bawah menjadi lebih dingin. Air dingin dipompa kembali ke kondensor. Penangkap percikan di atas isian menahan butiran air agar tidak terbawa udara keluar.

Batas terendah yang dapat dicapai air menara adalah suhu bola basah udara, yaitu suhu yang ditunjukkan termometer berbalut kain basah. Buku termodinamika dalam narasi menjelaskan alat yang mengukur suhu bola kering dan bola basah udara sekaligus, dan buku refrigerasi dan tata udara memakai keduanya untuk menyatakan keadaan udara. Di daerah tropis lembap, suhu bola basah sering sekitar 26 sampai 28 °C (nilai literatur umum), sehingga air menara jarang dapat didinginkan di bawah sekitar 30 °C. Psikrometri dan diagram udara lembap dijelaskan di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas.

Rentang, pendekatan, dan beban panas

Dua beda suhu dipakai untuk membaca kinerja menara:

$\text{rentang} = T_{\text{panas}} - T_{\text{dingin}}, \qquad \text{pendekatan} = T_{\text{dingin}} - T_{\text{bola basah}}$

Rentang ditentukan oleh beban panas dan laju air sirkulasi; pendekatan menunjukkan seberapa baik menara bekerja. Pendekatan yang membesar pada beban dan cuaca yang sama menunjukkan isian tersumbat kerak atau lumpur, distribusi air yang tidak merata karena nosel tersumbat, kipas yang lemah atau sabuknya selip, atau udara panas yang terisap kembali.

Beban panas yang dibuang menara dihitung dari air sirkulasi:

$\dot{Q} = \dot{m}\,c_p\,(T_{\text{panas}} - T_{\text{dingin}})$

Untuk sistem refrigerasi, beban itu kira-kira sama dengan kapasitas pendinginan ditambah daya kompresor, seperti di bab refrigerasi dan mesin es.

Penguapan dan neraca air menara

Air yang menguap kira-kira sebanding dengan panas yang dibuang dibagi kalor laten penguapan air pada suhu menara:

$E \approx \frac{\dot{Q}}{h_{fg}}$

Ini batas atas, karena sebagian panas dibuang sebagai pemanasan udara tanpa penguapan; dalam praktik, sekitar 75 sampai 90 persen panas dibuang lewat penguapan (nilai literatur umum). Kalor laten air pada sekitar 30 °C sekitar 2.430 kJ/kg, sehingga penguapan sekitar 0,17 persen laju sirkulasi untuk setiap derajat rentang (Contoh 3).

Buku perancangan teknik kimia dalam narasi mencatat bahwa aliran pengganti ditambahkan untuk mengimbangi kehilangan penguapan, blowdown, dan kehilangan lain, dan buku penukar ion dalam narasi menyebut perhitungan neraca air menara pendingin sebagai lampirannya. Neraca airnya:

$M = E + B + D$

dengan $M$ air pengganti, $E$ penguapan, $B$ blowdown, dan $D$ percikan yang terbawa udara. Percikan dari menara dengan penangkap yang baik sangat kecil, sekitar seperseribu sampai lima perseribu persen laju sirkulasi (nilai literatur umum), tetapi penting untuk Legionella.

Siklus konsentrasi dan blowdown

Buku penukar ion dalam narasi mencatat bahwa sirkulasi ulang air menyebabkan penumpukan zat terlarut. Air yang menguap hampir murni, sehingga garam dan kesadahan tertinggal dan memekat, sama seperti air boiler di bab pengolahan air boiler. Siklus konsentrasi $C$ adalah perbandingan kadar zat terlarut air menara terhadap air pengganti, dan dapat diukur langsung dari perbandingan konduktivitas keduanya, karena buku yang sama mencatat bahwa padatan terlarut dapat ditentukan dari konduktivitas. Bila percikan diabaikan:

$B = \frac{E}{C - 1}$

Menaikkan siklus konsentrasi mengurangi blowdown dan air pengganti (Contoh 5), tetapi siklus yang terlalu tinggi membuat kerak dan korosi, seperti pada kasus pembuka. Siklus yang tepat ditetapkan oleh penyedia pengolahan air dari mutu air pengganti dan program bahan kimianya; sebagai nilai literatur umum, banyak menara bekerja pada sekitar 3 sampai 6 siklus.

Buku pengetahuan teknik refrigerasi dalam narasi menjelaskan pembuangan sebagai pipa kecil dari keluaran pompa langsung ke saluran buangan. Pembuangan yang dikendalikan oleh konduktivitas, dengan katup yang membuka ketika konduktivitas air menara melewati setelan, menjaga siklus tetap pada nilainya. Menutup katup pembuangan "untuk menghemat air", seperti pada kasus pembuka, adalah cara tercepat merusak menara dan kondensor.

Kerak, korosi, dan lumpur

Kerak terbentuk ketika kalsium karbonat dan garam lain mengendap dari air yang memekat dan memanas, terutama di pipa kondensor dan bahan isian, seperti dijelaskan di Kimia 202. Kerak di pipa kondensor menghambat perpindahan panas, menaikkan suhu kondensasi, dan menurunkan COP. Buku penukar ion dalam narasi mencatat bahwa alkalinitas perlu dikendalikan di air boiler maupun air pendingin, dan bahwa air lunak dipakai sebagai air pengganti untuk sistem air pendingin.

Korosi terjadi pada pipa baja, bak, dan kondensor ketika air terlalu agresif, terlalu asam, atau kadar kloridanya tinggi, dan dipercepat oleh endapan yang membuat bagian di bawahnya kekurangan oksigen.

Lumpur berasal dari debu dan daun yang terbawa udara ke menara, serta dari endapan dan mikroba. Menara mencuci udara yang lewat, sehingga debu dari jalan, konstruksi, dan serat dari saluran buang pengering laundry di dekatnya ikut masuk ke air. Lumpur menyumbat isian, nosel, dan saringan, dan menjadi tempat mikroba berkembang.

Pertumbuhan mikroba dan Legionella

Air menara hangat, beroksigen, terkena cahaya, dan kaya nutrien, sehingga lumut, bakteri, dan lapisan biofilm mudah tumbuh. Buku penukar ion dalam narasi mencatat bahwa pengolahan air pendingin kadang terbatas pada klorinasi untuk membatasi pertumbuhan biologis, dan bahwa klorin dioksida dan bromin adalah biosida alternatif.

Narasi Teknik Bangunan dan Fasilitas mencatat bahwa Legionella, penyebab penyakit Legionnaires, tumbuh optimal pada rentang 20 sampai 45 °C dan baru mati secara berarti di atas 60 °C. Bab 13 · Bangunan & Fasilitas memakai rentang yang sama untuk air panas gedung. Di menara, bakteri ini tumbuh terutama di air yang tergenang dan di dalam biofilm. Penyakit yang ditimbulkannya didapat dari menghirup butiran air yang tercemar, sehingga percikan menara pendingin adalah jalur penularan yang dikenal. Bab 13 · Bangunan & Fasilitas membahas pengendaliannya untuk air panas gedung. Untuk menara, langkah pengendaliannya:

1. Penangkap percikan yang utuh dan terpasang rapat.
2. Letak menara jauh dari lubang udara segar, jendela yang dibuka, dan tempat orang berkumpul; atau lubang udara segar dipindahkan.
3. Program biosida yang dipantau, dengan kadar sisa yang diukur.
4. Pembersihan dan disinfeksi berkala bak, isian, dan nosel, serta setelah menara lama tidak dipakai.
5. Tidak ada air tergenang: kaki pipa buntu dihilangkan, dan menara yang tidak dipakai dikuras atau disirkulasi dan diolah.
6. Pemantauan mutu air dan uji mikrobiologi sesuai rencana pengendalian risiko yang berlaku.

Pekerja yang membersihkan menara memakai pelindung napas yang sesuai untuk aerosol dan pelindung mata, dan pembersihan dengan semprotan bertekanan yang membuat aerosol dilakukan dengan kipas mati dan area dibatasi, seperti di bab APD.

Pendingin air dan sirkuit air dingin

Pendingin air membuat air dingin untuk unit tata udara atau proses. Buku katalog pendingin air dalam narasi memberi contoh air dingin keluar sekitar 7 °C dan masuk sekitar 12 °C. Kapasitasnya dihitung dengan rumus yang sama dengan menara:

$\dot{Q} = \dot{m}\,c_p\,(T_{\text{masuk}} - T_{\text{keluar}})$

Buku teknik refrigerasi dalam narasi mencatat bahwa dalam praktik satu ton refrigerasi setara sekitar 3,517 kW. Untuk pendingin air berpendingin air, panas yang dibuang ke menara kira-kira sama dengan kapasitas pendinginan dikali $(1 + 1/\text{COP})$ (Contoh 7).

Sirkuit air dingin adalah sirkuit tertutup, sehingga diolah dengan penghambat korosi dan dipantau kebocorannya. Pada beban yang sama, beda suhu masuk dan keluar yang mengecil menunjukkan laju air terlalu besar; beda yang membesar menunjukkan laju air terlalu kecil, misalnya karena saringan tersumbat atau katup setengah tertutup. Penukar panas yang kotor tidak mengecilkan beda suhu itu, karena pada beban dan debit yang sama beda suhu ditentukan oleh beban dan debit menurut rumus kapasitas di atas. Kotoran menghambat perpindahan panas, sehingga yang membesar adalah pendekatan evaporator, yaitu suhu air keluar dikurangi suhu isap jenuh refrigeran. Bab 17 · Fluida & Termal membahas pembacaan beda suhu dan debit ini dari sisi operator.

Pemeriksaan dan perawatan rutin

Pemeriksaan yang lazim untuk menara dan sistem air pendingin, menurut petunjuk pabrik dan program pengolahan air:

1. Suhu air panas dan dingin, suhu bola basah, rentang, dan pendekatan, dicatat dan dibandingkan dari minggu ke minggu.
2. Konduktivitas air menara dan air pengganti, sehingga siklus konsentrasi diketahui; pH; kadar sisa biosida.
3. Kerja katup pembuangan dan meter air pengganti serta blowdown, bila ada.
4. Kebersihan bak, saringan, nosel, dan isian; lumut, lumpur, dan kerak yang terlihat.
5. Keadaan penangkap percikan, kipas, sabuk, dan motor.
6. Getaran dan bunyi pompa dan kipas, seperti di bab pemantauan kondisi rak Mekanikal.
7. Pembersihan dan disinfeksi menurut jadwal rencana pengendalian risiko Legionella.

Hasil pemeriksaan dicatat dalam satu buku atau lembar yang sama dari minggu ke minggu, bersama pembacaan meter air pengganti dan blowdown. Catatan seperti itu membuat perubahan perlahan terlihat: pendekatan yang naik sedikit demi sedikit, konduktivitas yang terus naik karena katup pembuangan macet, atau pemakaian air pengganti yang tiba-tiba melonjak karena pelampung bak yang bocor. Pada kasus pembuka, catatan konduktivitas mingguan akan menunjukkan masalah berbulan-bulan sebelum ruang pendingin menjadi hangat.

Contoh kerja

Contoh 1. Rentang dan pendekatan. Air masuk menara 37 °C, keluar 32 °C, dan suhu bola basah 27 °C. Rentang $37 - 32 = 5$ °C, pendekatan $32 - 27 = 5$ °C.

Contoh 2. Beban panas. Air sirkulasi 30 m³/jam, yaitu sekitar 30.000 kg/jam, dengan rentang 5 °C: $30.000 \times 4{,}19 \times 5/3.600 = 175$ kW.

Contoh 3. Penguapan. Dengan kalor laten air pada 30 °C sekitar 2.430 kJ/kg, penguapan paling besar $175/2.430 \times 3.600 = 259$ kg/jam, sekitar 0,86 persen sirkulasi, yaitu sekitar 0,17 persen per derajat rentang. Bila hanya 85 persen panas dibuang lewat penguapan, sekitar 220 kg/jam.

Contoh 4. Blowdown dan air pengganti. Dengan penguapan 259 kg/jam dan siklus konsentrasi 4: $B = 259/(4 - 1) = 86$ kg/jam, dan air pengganti $259 + 86 = 345$ kg/jam bila percikan diabaikan.

Contoh 5. Menaikkan siklus. Pada siklus 6, $B = 259/5 = 52$ kg/jam, hemat sekitar 34 kg/jam dibanding siklus 4. Untuk 12 jam sehari selama 360 hari, penghematannya sekitar 149 m³ air setahun, asalkan mutu air dan program bahan kimia mengizinkan siklus 6.

Contoh 6. Siklus dari konduktivitas. Air pengganti berkonduktivitas 400 µS/cm dan air menara 3.800 µS/cm. Siklus konsentrasinya $3.800/400 = 9{,}5$, jauh di atas sekitar 3 sampai 6 yang lazim, sehingga katup pembuangan harus dibuka dan diperiksa penyebab tertutupnya.

Contoh 7. Pendingin air. Air dingin 6 m³/jam masuk 12 °C dan keluar 7 °C: $6.000 \times 4{,}19 \times 5/3.600 = 34{,}9$ kW, sekitar $34{,}9/3{,}517 = 9{,}9$ ton refrigerasi. Dengan COP 3 (angka latihan), panas yang dibuang ke menara sekitar $34{,}9 \times (1 + 1/3) = 46{,}6$ kW.

Contoh 8. Percikan. Menara dengan sirkulasi 30 m³/jam dan percikan 0,005 persen (nilai literatur umum untuk penangkap yang baik) melepaskan sekitar $30.000 \times 0{,}00005 = 1{,}5$ kg/jam air ke udara sebagai butiran. Penangkap yang patah dapat menaikkan angka itu berlipat-lipat.

Contoh 9. Batas suhu air dingin. Pada hari dengan suhu bola basah 28 °C dan pendekatan rancangan 4 °C, air menara paling dingin sekitar 32 °C. Peralatan yang memerlukan air pendingin 28 °C tidak dapat dilayani menara ini pada hari seperti itu, berapa pun besarnya kipas.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan bila:

1. Menara akan dibersihkan, isiannya dibuka, atau baknya dimasuki sementara kipas, pompa, dan pemanas bak belum diisolasi dan dikunci, seperti di Bab 76 · Kelistrikan & Kendali dan bab isolasi energi non-listrik.
2. Pembersihan dengan semprotan bertekanan akan dilakukan tanpa pelindung napas untuk aerosol dan tanpa membatasi area.
3. Penangkap percikan rusak atau hilang, terutama bila menara dekat lubang udara segar atau tempat orang.
4. Air menara berlumut tebal, berbau, atau berbuih, atau menara lama tidak dipakai lalu akan dinyalakan tanpa pembersihan dan disinfeksi.
5. Bahan kimia pengolahan air akan dicampur atau dituang tanpa lembar data dan APD, seperti di bab bahan kimia.
6. Bak menara yang dalam atau ruang di bawah menara akan dimasuki; itu dapat termasuk ruang terbatas.
7. Pekerjaan di atap menara memerlukan akses kerja di ketinggian, seperti di bab kerja di ketinggian.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Menutup katup pembuangan menghemat air." Air yang menguap tetap harus diganti, dan tanpa pembuangan zat terlarut memekat sampai menjadi kerak.

"Kipas lebih besar membuat air lebih dingin daripada bola basah." Suhu bola basah adalah batas bawah menara.

"Sirkuit tertutup tidak perlu diolah." Sirkuit tertutup tetap memerlukan penghambat korosi dan pemantauan kebocoran.

"Lumut di bak hanya soal penampilan." Lumut dan biofilm menjadi tempat tumbuh Legionella dan menyumbat isian.

"Percikan menara hanya air." Butiran air dari menara yang tercemar dapat membawa bakteri ke udara yang dihirup.

"Siklus konsentrasi setinggi mungkin selalu lebih baik." Siklus terlalu tinggi menimbulkan kerak dan korosi.

Hubungan dengan bab lain

Fisika 213 dan Fisika 197 menjelaskan siklus dan COP, bab refrigerasi dan mesin es kondensor dan sirkuit tertutup, Bab 16 · Bangunan & Fasilitas psikrometri, Kimia 202 kerak, Bab 13 · Bangunan & Fasilitas Legionella air panas, bab pengolahan air boiler siklus konsentrasi dan blowdown, bab APD, Bab 76 · Kelistrikan & Kendali dan bab isolasi energi non-listrik, bab bahan kimia, bab ruang terbatas, dan bab kerja di ketinggian.

Chiller berpendingin udara dari sisi operator, termasuk debit minimum dan maksimum, beda suhu evaporator sebagai ukuran beban, sakelar aliran, alarm, dan catatan harian, dibahas di Bab 17 · Fluida & Termal. Menara pendingin sebagai mesin yang dioperasikan dan dirawat, yaitu komisioning dan pembilasan, debit per sel, level bak dan pelampung, kipas, sabuk, dan kotak roda gigi, sakelar getar, penangkap percikan, dan K3 perawatan, dibahas di Bab 18 · Fluida & Termal; termal, neraca air, kimia, dan Legionella menara tetap dibahas di bab ini.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Air masuk menara 35 °C, keluar 30 °C, bola basah 26 °C. Berapa rentang dan pendekatannya?
2. Sirkulasi 20 m³/jam dengan rentang 6 °C. Berapa beban panasnya?
3. Berapa penguapan paling besar untuk beban soal 2, dengan kalor laten 2.430 kJ/kg?
4. Penguapan 200 kg/jam dan siklus konsentrasi 5. Berapa blowdown dan air penggantinya?
5. Mengapa pendekatan yang membesar menunjukkan masalah pada menara?
6. Mengapa letak menara terhadap lubang udara segar penting?

Kunci jawaban beralasan

1. Rentang $35 - 30 = 5$ °C dan pendekatan $30 - 26 = 4$ °C pada keadaan cuaca itu.
2. $20.000 \times 4{,}19 \times 6/3.600 = 140$ kW panas yang dibuang ke udara.
3. $140/2.430 \times 3.600 = 207$ kg/jam, batas atas karena sebagian panas memanaskan udara.
4. $B = 200/(5 - 1) = 50$ kg/jam dan air pengganti $200 + 50 = 250$ kg/jam bila percikan diabaikan.
5. Pada beban dan cuaca yang sama, pendekatan besar berarti isian, nosel, atau kipas tidak lagi bekerja baik.
6. Butiran percikan dapat membawa Legionella dan terisap ke dalam gedung melalui lubang udara segar.

Referensi