Abstrak —Salah satu komponen pada gas turbine adalah lube oil  cooler yang  berfungsi  sebagai heat  exchanger untuk mendinginkan  temperatur lube  oil .  Pemasangan  tiga lube  oil cooler type-Z compact  heat  exchanger pada  susunan  seri  dan paralel  berdampak  pada cooling  capacity lube  oil  cooler . Uniformity  flow  rate pada  masing-masing tube merupakan salah  satu  faktor  yang  mempengaruhi cooling  capacity dari lube  oil  coole .  Oleh  karena  itu  dilakukan  simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD) untuk mengkaji pengaruh pemasangan susunan tiga lube oil cooler secara seri dan paralel dengan variasi kapasitas lube oil terhadap performance lube oil cooler .  Pemodelan  domain  dilakukan  dengan  3  dimensi  pada sisi  eksternal  dan  internal.  Simulasi  pada  sisi  eksternal dilakukan untuk memperoleh nilai koefisien heat transfer pada masing-masing  baris tube .  Selanjutnya,  nilai  koefisien heat transfer yang  didapat  pada  sisi eksternal digunakan  sebagai kondisi  batas wall  convection pada  masing-masing  baris tube untuk simulasi internal flow dengan variasi flow rate lube oil 30 gpm, 50 gpm, 74 gpm. Dari hasil simulasi,  susunan cooler seri menghasilkan cooling  capacity yang  lebih  baik  dari  pada susunan cooler paralel  pada  kapasitas lube oil yang sama. Hal tersebut terjadi karena flow ratio lube oil untuk masing-masing tube pada susunan cooler seri lebih seragam dari pada susunan cooler paralel.  Keseragaman flow  rate pada  masing-masing tube ditunjukkan  dengan  kecilnya  standard  deviasi flow  ratio . Kapasitas 50 gpm  memiliki standard deviasi flow ratio sebesar 0,46  untuk  susunan  seri  dan  0,75  untuk  susunan  paralel. Semakin  besar  kapasitas lube  oil maka  distribusi flow  rate pada  masing-masing tube semakin  tidak  seragam.  Selain  itu susunan cooler seri  memiliki pressure  drop yang  lebih  besar dari  pada  susunan cooler paralel.  Pemasangan  susunan cooler dengan  kapasitas  30  gpm  memiliki  tingkat  keseragaman  yang paling  tinggi  ditunjukkan  dengan  standard deviasi  flow  ratio pada masing-masing tube yang paling kecil sebesar 0,33.
Kata  Kunci — lube  oil  cooler,  uniformity  flow  rate,  compact heat exchanger, CFD.

## I. PENDAHULUAN
Lube  oil  cooler merupakan cross  flow  compact  heat exchanger yang berfungsi untuk memindahkan energi panas yang  dibawa  oleh fluid a  oli  ke  udara  lingkungan  melalui konveksi  paksa  dengan  fan.  Dalam  aplikasinya lube oil cooler banyak  digunakan  dalam  sistem  pelumasan gas turbine sebagai media pelumasan dan pendingin komponen- komponen gas  turbine yang  berputar,  seperti  bearing, generator dan gear box [1]. Pada umumnya temperatur lube oil yang diijinkan masuk kedalam gas turbine sebesar 155 ° F atau  sekitar  68,3 ° C  [2].  Pemasangan  tiga lube  oil  cooler untuk  proses  pendinginan lube oil diperlukan  untuk meningkatkan cooling  load atau  menurunkan  temperatur lube  oil .  Untuk  itu  diperlukan  pemasangan lube  oil  cooler
yang sesuai untuk menghasilkan cooling capacity yang baik. Pemasangan  tiga lube  oil  cooler secara  seri  dan  paralel berpengaruh  terhadap cooling  capacity .  Hal  tersebut disebabkan  karena  pemasangan  instalasi  seri  atau  paralel pada  3  buah lube  oil  cooler menyebabkan  perbedaan uniformity  flow  rate pada  masing-masing tube .  Semakin seragam flow rate yang  masuk  dalam tube maka  efektifitas perpindahan  panas  akan  semakin  baik,  begitu  juga sebaliknya.  Untuk  mengevaluasi  ditribusi flow  rate pada masing-masing tube maka dibuat bilangan tidak berdimensi berupa flow ratio (β) yang didefinisikan sebagai berikut:
(1)
dengan β i merupakan flow ratio pada tube ke-i, sedangkan Q i merupakan flow rate yang  mengalir  pada tube ke-i  dan  Q adalah flow total  yang  mengalir  pada header .  Setelah didapat nilai flow ratio pada masing-masing tube selanjutnya menentukan  keseragaman flow rate .  Konsep  standard deviasi  pada flow ratio  pernah  digunakan  Chiou  [3]  untuk mendefinisikan  keseragaman flow rate .  Dengan  perumusan sebagai berikut:
(2)
(3)
dimana  Ф  merupakan  standard  deviasi flow ratio,  N merupakan  jumlah tube dan merupakan  rata-rata flow ratio.  Semakin  besar  standard  deviasi  maka flow rate yang mengalir pada masing-masing tube semakin tidak seragam.
Beberapa penelitian secara numerik dibandingkan dengan eksperimen  mengenai uniformity  flow  rate pada compact heat  exchanger tipe-Z telah  dilakukan.  Cheng-Hung  Huang dan  Chun-Hsien  Wang  [4]  melakukan  penelitian  mengenai peningkatan  keseragaman flow rate pada  sebuah compact heat exchanger tipe-U menggunakan simulasi Computational  Fluid  Dynamics dengan  domain  2  dimensi. Pada  penelitian  tersebut  dibandingkan  kondisi  desain (existing )  dengan  hasil  modifikasi  dengan flow  rate 2 liter/min. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa pada desain existing, flow terbesar terjadi di ujung header tube terakhir, sedangkan  terendah  pada tube pertama  sehingga flow  rate yang  masuk  pada  masing-masing tube tidak  seragam. Namun  pada  desain  modifikasi  lebih  seragam  dari  pada desain existing, ditunjukkan  dengan  standard  deviasi flow ratio yang  lebih  rendah.  Kemudian  pada  desain  modifikasi

## Studi Numerik Peningkatan Cooling
Performance pada Lube Oil Cooler Gas Turbine
yang Disusun Secara Seri dan Paralel dengan Variasi Kapasitas Aliran Lube Oil
Annis Khoiri Wibowo dan Bambang Arip Dwiyantoro Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : bambangads@me.its.ac.id
divariasikan  kecepatan  inlet  sebesar  1-4  liter/min.  Pada kapasitas  2  liter/min  mencapai  keseragaman  yang  paling baik  dibandingkan  dengan  yang  lain  ditunjukkan  dengan standard deviasi yang paling kecil.
Cheng-Hung  Huang  dan  Chun-Hsien  Wang  [5]  juga melakukan penelitian mengenai keseragaman flow rate pada compact  heat  exchange r  tipe-Z.  Pada  penelitian  ini dibandingkan  antara  kondisi  desain  dan  modifikasi  dengan menambah  panjang header dan  memperbesar  jarak  inlet header dengan tube pertama  kemudian  divariasikan kecepatan  inlet  sebesar  1-2  liter/min  dengan  dibandingkan dengan  hasil  eksperimen.  Hasil  simulasi  memiliki  nilai  dan trend line yang hampir mirip dengan hasil eksperimen. Pada kondisi modifikasi didapatkan flow rate yang lebih seragam pada  masing-masing tube .  Selain  itu  dari  hasil  eksperimen dan simulasi didapatkan bahwa semakin kecil flow rate yang mengalir pada inlet header maka flow rate yang masuk pada masing-masing tube akan  semakin  seragam  sehingga meningkatkan perpindahan panas.
Beberapa  penelitian  diatas  mengenai compact  heat exchanger menjadi  acuan  untuk  melakukan  penelitian mengenai  pemasangan  tiga  buah heat  exchanger  type-Z berupa lube  oil  cooler secara  seri  atau  paralel  agar menghasilkan cooling  load yang  tinggi  dalam  hal  ini temperatur lube oil keluar cooler yang rendah. Oleh karena itu  pada  penelitian  ini  dilakukan  simulasi Computational Fluid  Dynamics secara  3  dimensi  pada  susunan lube  oil cooler seri  dan  paralel    untuk  melihat uniformity  flow  rate pada  masing-masing tube yang  berdampak  pada  efektifitas perpindahan  panas  yang  terjadi.  Pada  makalah  ini  nantinya akan  dibahas  mengenai uniformity  flow  rate, Kontur temperatur, temperatur lube oil keluar cooler , pressure drop dan cooling  load pada  susunan lube oil cooler seri  dan paralel.

## II. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  berbasis Computational  Fluid  Dynamics untuk  memperoleh  kontur  dan  distribusi  temperatur, tekanan  dan    kecepatan.  Tahapan  awal  dilakukan  analisa eksternal flow dengan membuat domain susunan tube untuk memperoleh  nilai  koefisien  heat  transfer  pada  masing- masing baris tube . Susunan tube terdiri atas 18 kolom dan 3 baris  dimana fluid a  udara  mengalir  dari  bawah  ke  atas dengan  konveksi  paksa  menggunakan  fan.  Pengambilan domain dilakukan di celah antar fin seperti pada Gambar 1, dengan  asumsi fluid a  udara  pada  sisi  inlet  mengalir  secara uniform maka pengambilan domain mewakili susunan tube . Geometri susunan tube dapat dilihat pada Tabel 1
Tabel 1. Geometri susunan tube Variabel Nilai (mm) Fin pitch 3 Diameter tube 19,8 Jarak Transversal (ST) 76,2 Jarak Longitudinal (SL) 50,8 Tebal Fin 0,5
Gambar 1. Domain susunan tube pada simulasi eksternal flow
Gambar 2. Hasil meshing pada susunan tube (tampak depan)
Tabel 2. Kondisi batas pada model susunan tube
Pada  penelitian  ini  akan  divariasikan  temperatur tube berdasarkan  kapasitas lube oil dan  susunan cooler sesuai pada  Tabel  2.  Setelah  domain  dibuat  maka  akan disimulasikan  untuk  mendapat  nilai  koefisien heat  transfer pada masing-masing baris tube . Nilai koefisien heat transfer yang  didapat  nantinya  dijadikan  nilai  input  pada  simulasi internal flow untuk  variasi  susunan cooler seri  dan  paralel. Gambar 3 merupakan domain dan meshing yang dibuat pada software  perangkat  lunak CFD untuk  simulasi  susunan cooler seri  dan  paralel.  Pada  domain  terdapat  tiga cooler , dimana  pada  masing-masing cooler terdapat  susunan tube staggered dengan  3  baris  dan  18  kolom,  sehingga  pada masing-masing cooler terdapat  54 tube tersusun  secara paralel.  Kondisi  batas  pada  simulasi  internal flow terdapat pada Tabel 3.

## Variabel Bebas
Susunan Cooler Kapasitas  Temp. Tube Seri 30 gpm  45,8 °C 50 gpm*  50°C 74 gpm  56,4 °C Paralel 30 gpm  56,8 °C 50 gpm  61,4 °C 74 gpm  66,7 °C Variabel terkontrol Jenis Nilai Velocity Inlet 20 m/s Temp. Inlet 27 °C Outlet out flow Kriteria Konvergen 10. e-6 D ST SL *data operasional
(a). Susunan Cooler Seri (b). Susunan Cooler Paralel
Gambar 3 . Domain dan hasil meshing pada susunan cooler (a). Seri dan (b). Paralel
Tabel 3.Kondisi batas pada simulasi susunan cooler seri-paralel (internal
flow ) Variabel Nilai Flow rate inlet 30 , 50,dan 74 gpm Temperatur inlet 84,4 °C *Koefisien heat transfer pada tube Hasil simulasi eksternal flow Temperatur ambient 27 °C Pressure outlet 88 psi
*Nilai koefisien heat transfer didapat dari hasil simulasi ekternal flow

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  simulasi eksternal  flow didapat  nilai  koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube. Nilai koefisien heat transfer ditunjukkan pada Tabel 4.
Tabel 4 Nilai koefisien heat transfer pada susunan tube
maka  nilai  tersebut  dijadikan  nilai  input  atau  kondisi  batas pada  simulasi internal  flow .  Berikut  fenomena  aliran  yang terjadi  pada  internal  flow,  dapat  diamati  pada  kontur kecepatan  dan pathline pada  susunan cooler seri  untuk cooler 1 ditunjukkan pada Gambar 4.
(a).
(b).
Gambar 4. (a). pathline (b). Kontur kecepatan  pada susunan cooler seri untuk cooler 1 pada kapasitas 50 gpm
Gambar  4  merupakan iso-surface pada  sisi  tengah susunan tube . Distribusi kecepatan pada masing-masing tube terlihat  tidak  seragam  ditunjukkan  dengan  mass flow yang mengalir  pada  masing-masing tube juga  tidak  seragam. Gambar  5  menunjukkan iso-surface kontur  kecepatan  pada susunan cooler seri dan paralel pada kapasitas 50 gpm.
(a). Seri (b). Paralel Gambar 5. Iso-surface kontur kecepatan pada kapasitas 50 gpm untuk susunan cooler (a). Seri (b). Paralel
Pada Gambar 5 nampak ketidakseragaman flow rate pada susunan tube .  Kecepatan  terbesar  pada  susunan tube terjadi pada ujung masing-masing cooler untuk susunan cooler seri, sedangkan  untuk  susunan cooler paralel  kecepatan  terbesar terjadi  pada  ujung cooler 3.  Pada cooler 1  dan cooler 2 relatif  uniform  untuk  susunan cooler paralel  namun flow rate yang  mengalir  cukup  rendah. Flow rate pada  susunan tube baris bawah, baris tengah dan baris atas tidak memiliki perbedaan  yang  signifikan  untuk  susunan cooler seri maupun  paralel.  Agar  lebih  jelas  distribusi flow rate pada masing-masing tube maka  pada  Gambar  6  ditunjukkan distribusi flow ratio pada susunan cooler seri dan paralel.
Kecepatan
Udara Kapasitas Lube oil Susunan Tube Koefisien Heat Transfer (W/m 2 .K) Seri Paralel 20 m/s 30 gpm Baris Atas 111,44 129,77 Baris Tengah 122,56 142,71 Baris Bawah 113,70 132,40 50 gpm Baris Atas 119,38 134,86 Baris Tengah 131,81 148,31 Baris Bawah 122,22 137,59 74 gpm Baris Atas 129,28 139,60 Baris Tengah 142,17 153,52 Baris Bawah 131,89 142,42
m/s
cm/s
(a). 30 gpm (b). 50 gpm (c). 74 gpm Gambar 6. Perbandingan distribusi flow ratio pada susunan cooler seri dan paralel dengan kapasitas lube oil (a). 30 gpm (b). 50 gpm dan (c). 74 gpm
Pada  masing-masing  kapasitas  terlihat  bahwa  susunan cooler seri  lebih  seragam  dibandingkan  susunan cooler paralel.  Selain  itu  pada  masing-masing  kapasitas  nampak bahwa flow rate terbesar  terjadi  pada tube dekat  ujung header menurun secara eksponensial pada tube sebelumnya hingga flow rate terendah  terjadi  pada tube yang  paling dekat dengan inlet header . Pada cooler 1 dan cooler 2 untuk susunan  paralel  tidak  memiliki  perbedaan flow  ratio yang signifikan  sedangkan  pada  cooler  3  terjadi  kenaikan  yang signifikan.  Tingkat  keseragaman flow rate ditunjukkan dengan  standard  deviasi  dari flow ratio.  Berikut  Tabel  4 merupakan standard deviasi dari flow ratio.
Tabel 4. Standard Deviasi Flow Ratio terhadap Variasi Kapasitas Aliran Lube Oil pada Susunan Cooler dipasang Secara Seri dan Paralel

## Susunan
Cooler Standard Deviasi Flow Ratio 30 gpm 50 gpm 74 gpm Seri 0,31561 0,44174 0,52793 Paralel 0,56609 0,7492 0,88401
Susunan cooler seri  memiliki  standard  deviasi flow ratio lebih  kecil  daripada  susunan cooler paralel,  hal  tersebut menunjukkan  bahwa flow rate yang  mengalir  pada tube untuk  susunan cooler seri  lebih  seragam.  Sedangkan  pada
variasi kapasitas lube oil , semakin rendah kapasitas lube oil maka flow rate yang  mengalir  pada  masing-masing tube juga lebih seragam.
(a). Seri
(b).Paralel
Gambar 7. Iso-surface kontur temperatur pada kapasitas 50 gpm untuk susunan cooler (a). Seri (b). Paralel
Gambar  7  menunjukkan Iso-surface kontur  temperatur pada  kapasitas  50  gpm.  Pada  susunan cooler seri  maupun paralel  terlihat  penurunan  temperatur  ditunjukkan  dengan perubahan  warna  dari  merah  ke  warna  biru.  Temperatur pada  masing-masing tube terlihat  tidak  seragam,  hal  ini disebabkan  karena flow rate yang  mengalir  pada  masing- masing tube juga  tidak  seragam.  Pada tube ujung  masing- masing cooler memiliki  beban  pendinginan  yang  lebih tinggi  ditunjukkan  dengan  temperatur  yang  lebih  tinggi. Sedangkan  pada  susunan  paralel,  beban  pendinginan  pada masing-masing cooler berbeda-beda.  Beban  pendinginan terbesar terjadi pada cooler 3 kemudian lebih rendah cooler 1 dan paling rendah cooler 2.
Gambar 8. Temperatur outlet pada susunan cooler seri dan paralel dengan variasi kapasitas lube oil .
Gambar  8  menunjukkan  temperatur  keluar cooler pada susunan seri dan paralel. Pada masing-masing kapasitas lube oil yang sama, susunan cooler seri menghasilkan temperatur outlet  yang  lebih  rendah  jika  dibandingkan  susuna cooler paralel.  Pada  susunan cooler seri  maupun  paralel,  semakin besar kapasitas lube oil maka temperatur outlet cooler akan semakin  tinggi  namun  kenaikannya  tidak  linier.  Kenaikan temperatur terbesar terjadi pada kenaikan  kapasitas 30 gpm ke  50  gpm,  kemudian  pada  kapasitas  50  gpm  ke  74  gpm relatif  lebih  landai.  Dengan  temperatur  inlet  yang  sama, maka  pengoperasian lube oil cooler dilakukan  pada kapasitas  30  gpm  baik  susunan  seri  maupun  paralel  agar menghasilkan  temperatur  dibawah  batas  yang  diijinkan
° C
sebelum masuk gas turbine .
Gambar 9. Pressure Drop pada susunan cooler seri dan paralel dengan variasi kapasitas lube oil .
Gambar  9  menunjukkan  nilai pressure  drop yang  terjadi pada susunan  seri dan paralel dengan  variasi  kapasitas lube oil .  Pada  masing-masing  kapasitas lube oil , pressure  drop yang  terjadi  pada  susunan  seri  relatif  lebih  besar  jika dibandingkan  susunan  paralel.  Selain  itu  pada  susunan cooler seri maupun paralel, semakin besar kapasitas lube oil maka pressure  drop yang  terjadi  akan  semakin  besar. Pressure  drop  terbesar  terjadi  pada  susunan cooler seri dengan kapasitas 74 gpm dan terendah pada susunan paralel dengan kapasitas 30 gpm.
Perbandingan cooling load antara susunan cooler seri dan susunan paralel ditunjukkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Perbandingan cooling load pada susunan cooler dipasang seri dan paralel dengan variasi kapasitas lube oil.
Susunan cooler seri  menghasilkan cooling  load lebih besar  jika  dibandingkan  susunan cooler paralel.  Pada susunan  seri  maupun  paralel,  semakin  besar  kapasitas lube oil maka cooling  load akan  semakin  besar  namun kenaikannya tidak linier. Kenaikan kapasitas lube oil dari 50 gpm ke 74 gpm pada susunan cooler paralel cenderung lebih landai  atau  kenaikannya  tidak  signifikan. Cooling  load terbesar  terjadi  pada  susunan cooler seri  dengan  kapasitas 74  gpm,  sedangkan cooling  load terendah  terjadi  pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 30 gpm.

## IV. KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi Computational  Fluid  Dynamics pada susunan lube oil cooler secara seri dan paralel diperoleh : 1. Susunan cooler dipasang  seri  menghasilkan cooling capacity lebih  besar  dibandingkan  susunan cooler dipasang  paralel.  Namun  pada  susunan  seri  memiliki
pressure drop lebih tinggi. 2. Semakin  besar  kapasitas lube  oil maka  temperatur keluaran cooler dan pressure  drop yang  terjadi  akan semakin besar.
3. Susunan cooler seri  menghasilkan  tingkat  keseragaman flow rate yang  lebih  baik  jika  dibandingkan  dengan susunan cooler paralel. Hal tersebut ditunjukkan dengan lebih  kecilnya  nilai  standard  deviasi  dari flow ratio, sehingga  dapat  menghasilkan cooling  load yang  lebih besar. Cooling  load terbesar  dihasilkan  pada  susunan cooler seri dengan kapasitas 74 gpm 4. Semakin  besar  kapasitas lube  oil maka  tingkat keseragaman flow  rate pada  masing-masing tube akan semakin rendah, begitu juga sebaliknya.
Pada  penelitian  selanjutnya  perlu  dikembangkan  lebih lanjut  dengan  melakukan  modifikasi  pada header untuk memperolah keseragam flow rate yang lebih baik

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Giampaolo,  A.  2000. Gas  Turbine  Handbook  Principles  and Practices. Lilburn: The Fairmont Press Inc.
[2] Installation  and  Operation  Instructions.  CENTAUR  Turbine-Driven Generator Set GC1-CB-GE Serial Numbers CG82052, CG82053, and CG82054. Hudbay Oil (Malacca Strait) Ltd.
[3] J.P.  Chiou,  The  effect  of  nonuniform fluid flow distribution  on  the thermal performance of solar collector, Solar  Energy 29 (1982) 487– 502.
[4] Huang,  Cheng-Hung  &  Chun-Hsien  Wang.  The  study  on  the improvement of system uniformity flow rate for U-type compact heat exchanger . International Journal of Heat and Mass Transfer 63 (2013) 1–8.
[5] Huang,  Cheng-Hung  &  Chun-Hsien  Wang.  The  design  of  uniform tube flow rate s  for  Z-type compact parallel flow heat exchanger s. International Journal of Heat and Mass Transfer 57 (2013) 608–622.