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 Bab 25 · Fisika tentang siklus kompresi uap dan Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika, dan refrigerasi komersial dan mesin es di Bab 9 tentang refrigerasi komersial dan mesin es. Psikrometri dan ventilasi ada di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas tentang ventilasi dan tata udara ruang laundry dan dapur, kerak dan kesadahan di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan, kesadahan, dan kerak, dan pengendalian Legionella pada air panas di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung. Mikrobiologi air dibahas lebih lanjut di rak Biologi.

Batas mutu air, program bahan kimia, dan persyaratan pengendalian Legionella ditetapkan oleh pabrik, penyedia pengolahan air, dan peraturan kesehatan yang berlaku, bukan oleh angka di bab ini.

Air pendingin di gedung, dapur, dan laundry

Mesin pendingin, kompresor, dan proses panas harus membuang panasnya ke suatu tempat. Air pendingin dalam jumlah besar diperlukan untuk mengembunkan uap agar dapat dipakai ulang, dan 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, 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 9 tentang refrigerasi komersial 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 1, 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 3). Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas memasukkan aliran-aliran seperti ini ke dalam neraca utilitas, sehingga air pendingin terlihat sebagai pemakai air dan energi tersendiri.

Cara kerja menara pendingin

Menara pendingin (cooling tower) adalah alat yang mendinginkan air dengan menguapkan sebagian kecil air itu ke udara. Air panas disemprotkan atau dialirkan di atas bahan isian (fill) 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 (drift eliminator) di atas isian menahan butiran air agar tidak terbawa udara keluar.

Suhu bola basah (wet-bulb temperature) adalah suhu yang ditunjukkan termometer berbalut kain basah, dan suhu inilah batas terendah yang dapat dicapai air menara. Suhu bola kering dan bola basah udara dapat diukur sekaligus dengan satu alat, dan keduanya dipakai untuk menyatakan keadaan udara. Di daerah tropis lembap, suhu bola basah sering sekitar 26 sampai 28 °C, sehingga air menara jarang dapat didinginkan di bawah sekitar 30 °C. Psikrometri dan diagram udara lembap dijelaskan di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas tentang ventilasi dan tata udara ruang laundry dan dapur.

Rentang, pendekatan, dan beban panas

Dua beda suhu dipakai untuk membaca kinerja menara. Rentang (range) adalah beda suhu air masuk dan air keluar menara, dan pendekatan (approach) adalah beda suhu air keluar menara dengan suhu bola basah udara:

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

dengan $T_{\text{panas}}$ suhu air masuk menara, $T_{\text{dingin}}$ suhu air keluar menara, dan $T_{\text{bola basah}}$ suhu bola basah udara, semuanya dalam °C. 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:

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

dengan $\dot{Q}$ beban panas (kW), $\dot{m}$ laju massa air sirkulasi (kg/s), dan $c_p$ kalor jenis air, sekitar 4,19 kJ/(kg·K). Untuk sistem refrigerasi, beban itu kira-kira sama dengan kapasitas pendinginan ditambah daya kompresor, seperti di Bab 9.

Penguapan dan neraca air menara

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

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

dengan $E$ laju penguapan (kg/s) dan $h_{fg}$ kalor laten penguapan air (kJ/kg). Ini batas atas, karena sebagian panas dibuang sebagai pemanasan udara tanpa penguapan; dalam praktik, sekitar 75 sampai 90 persen panas dibuang lewat penguapan. 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 2).

Aliran pengganti ditambahkan untuk mengimbangi kehilangan penguapan, blowdown, dan kehilangan lain. Percikan (drift) adalah butiran air yang terbawa udara keluar dari menara. Neraca airnya:

$M = E + B + D$

dengan $M$ air pengganti, $E$ penguapan, $B$ blowdown, dan $D$ percikan yang terbawa udara, semuanya dalam satuan laju yang sama, misalnya kg/jam. Percikan dari menara dengan penangkap yang baik sangat kecil, sekitar seperseribu sampai lima perseribu persen laju sirkulasi, tetapi penting untuk Legionella.

Siklus konsentrasi dan blowdown

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 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown. Siklus konsentrasi (cycles of concentration) $C$ adalah perbandingan kadar zat terlarut air menara terhadap air pengganti, dan dapat diukur langsung dari perbandingan konduktivitas keduanya, karena padatan terlarut dapat ditentukan dari konduktivitas. Bila percikan diabaikan:

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

Menaikkan siklus konsentrasi mengurangi blowdown dan air pengganti (Contoh 4), 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 gambaran, banyak menara bekerja pada sekitar 3 sampai 6 siklus.

Blowdown (blowdown), atau pembuangan, adalah air menara yang sengaja dibuang untuk mengeluarkan zat terlarut yang memekat. Pembuangan dapat berupa 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 Bab 16 · Kimia. Kerak di pipa kondensor menghambat perpindahan panas, menaikkan suhu kondensasi, dan menurunkan COP. Alkalinitas perlu dikendalikan di air boiler maupun air pendingin, dan 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. Pengolahan air pendingin kadang terbatas pada klorinasi untuk membatasi pertumbuhan biologis, dan klorin dioksida dan bromin adalah biosida alternatif.

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 tentang air panas gedung memakai rentang yang sama. 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 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri.

Pendingin air dan sirkuit air dingin

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

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

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 $(1 + 1/\text{COP})$.

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, seperti pada kasus di Bab 17 · Fluida & Termal tentang chiller berpendingin udara dari sisi operator. 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 14 · Mekanikal & Mekatronika tentang pemantauan kondisi dan keputusan perawatan mekanis.
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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: 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 2: 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 3: 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 4: 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 5: 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 6: percikan. Menara dengan sirkulasi 30 m³/jam dan percikan 0,005 persen, batas atas 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.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada penanggung jawab peralatan 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 tentang kerja aman dan LOTO dan Bab 4 · Keselamatan tentang 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 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.
6. Bak menara yang dalam atau ruang di bawah menara akan dimasuki; itu dapat termasuk ruang terbatas, seperti di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas.
7. Pekerjaan di atap menara memerlukan akses kerja di ketinggian, seperti di Bab 10 · Keselamatan tentang kerja di ketinggian.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 25 · Fisika tentang siklus kompresi uap dan Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika menjelaskan siklus dan COP, dan Bab 9 tentang refrigerasi komersial dan mesin es membahas kondensor dan sirkuit tertutup. Psikrometri ada di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas tentang ventilasi dan tata udara ruang laundry dan dapur, kerak di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan, kesadahan, dan kerak, dan Legionella pada air panas di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung. Siklus konsentrasi dan blowdown untuk air boiler dibahas di Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown, dan neraca utilitas di Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas. Keselamatan kerjanya bersambung ke Bab 5 · Keselamatan tentang alat pelindung diri, Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman dan LOTO, Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik, Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi, Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas, dan Bab 10 · Keselamatan tentang kerja di ketinggian. Getaran pompa dan kipas dibaca seperti di Bab 14 · Mekanikal & Mekatronika tentang pemantauan kondisi dan keputusan perawatan mekanis.

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 tentang chiller berpendingin udara dari sisi operator. 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 tentang menara pendingin dalam operasi; termal, neraca air, kimia, dan Legionella menara tetap dibahas di bab ini.

Latihan dan pembahasan

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