Pengaruh Perubahan Material CuNi dengan Stainless Steel SA 213 TP304 terhadap Performansi
Air Cooler Generator di PLTA Saguling
Yogi Sirodz Gaos 1 , Candra Damis Widiawati 2
1 Engineering and Devices for Energy Conversion Research Lab., Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor
2 Departemen Engineering PT Intan Prima Kalorindo Corresponding author : yogisirodz@gmail.com

## Abstrak
Alat  penukar  kalor  merupakan  peralatan  yang  mampu  menukar  kalor  dari  fluida  panas  ke  fluida dingin.  Parameter  yang  paling  kritis  dalam  desain  alat  penukar  kalor  adalah  overall  thermal conductivity.  Jika  overall  thermal  conductivity  lebih  besar,  maka  unjuk  kerja  alat  penukar  kalor menjadi lebih baik, dimana kondisi tersebut dipengaruhi oleh konduktivitas termal pipa dan material sirip. Material yang paling banyak digunakan alat penukar kalor adalah  copper, karena konduktivitas termalnya paling besar sekitar 385 W/moC. Akan tetapi untuk kondisi lainnya,  copper nickel (CuNi) pipa,  Titanium  pipa  dan  pipa  stailess  steel  AISI  304  yang  biasanya  digunakan  untuk  fluida  bersifat korosif.  Analisis  konduktivitas  termal  pipa  menggunakan  tiga  metode  dan  perbedaan  masukan  data, yaitu 1)perhitungan sederhana; pendingin generator dengan udara di PLTA Saguling, 2) Perhitungan Shell  and  Tube;  pendingin  minyak  pelumas  mesin  SWD  6TM410RR,  3)  Perhitungan  Guentner; pendingin  air  SWD  6TM410RR.  Analisis  perhitungan  sederhana,  shel and tube  dan  Guentner  secara berturut-turut menghasilkan: kapasitas kalor fluida panas masing-masing, Qhot= 433 kW, 305 kW and 510 kW; kapasitas pendinginan udara pendingin pada pipa CuNi, Qhe= 433 kW, 460 kW and 603.62 kW; kapasitas pendinginan udara pendingin menggunakan pipa AISI 304, Q’he = 432 kW, 454 kW and  594.35  kW;  dan  kapasitas  pendinginan  turun  sebesar  0,24%,  1,30%  and  1,54%.  Berdasarkan perhitungan shell and tube dengan Guentner, kapasitas pendinginan udara menggunakan pipa stailess steel AISI 304 harus dibalik  menjadi 20% untuk  mengantisipasi konduktivitas termal yg rendah dari pipa  stailess  steel  AISI  304.  Sehingga  direkomendasikan  untuk  menambah  luas  permukaan  sentuh kisaran  20%,  sehingga  kapasitas  pendinginan  udara  yg  menggunakan  pipa  stailess  steel  AISI  304 menjadi 518 kW.
Kata kunci : alat penukar kalor, permukaan balikan, overall thermal conductivity, SUS 304, CuNi

## Pendahuluan
Alat  penukar  kalor  ( heat  exchanger ) adalah alat yang berfungsi untuk menghantarkan  panas  (konduksi  dan  konveksi) dari  medium  panas  ke  medium  dingin  melalui permukaan solid ,  terdiri  dari  tiga  macam  tipe, yaitu double pipe , shell and tube , dan compact . Masing-masing  digunakan  untuk  aplikasi  yang berbeda, double  pipe sering  dipakai  pada  skala kecil  sedangkan shell  and  tube dan compact lebih sering digunakan untuk skala besar.
Pemilihan bahan penukar panas ditentukan oleh sifat fluida kerja, luas lahan dan kalor  yang  harus  dipindahkan.  Fluida  kerja yang  korosifitas  rendah  biasanya  memilih bahan tembaga (Cu) karena memiliki konduktivitas panas tertinggi yaitu 385 W/m.oC,  sedangkan  fluida  yang  cenderung korosif  sering  menggunakan copper nickel CuNi  (39.7W/m.oC),  Titanium  (37.4W/moC), dan stainless  steel AISI  304  (14.9W/m.oC)
walaupun  ketiga  bahan  tersebut  memiliki konduktivitas termal yang rendah.
Konduktivitas termal
bahan mempengaruhi  kemampuan  pindah  panas  total ( overall  thermal conductivity )  alat  penukar kalor, jurnal ini membahas pengaruh perubahan material pipa CuNi menjadi AISI 304 terhadap kinerja  penukar  kalor,  dimana  dimensi  tetap. Kinerja  penukar  kalor  dianalisa  dengan  tiga metoda; 1) Perhitungan sederhana 2) Perhitungan shell  and  tube 3)  Perhitungan Guentner.

## Metode Analisis Perhitungan Sederhana
Perhitungan Sederhana dilakukan dengan menggunakan  persamaan  umum  perpindahan kalor  dan  asumsi.  Data fluida  berdasarkan  data operasional mesin air cooler generator Saguling.
Persamaan umum yang digunakan,
Asumsi:
1. Konduktivitas termal fluida panas konstan
2. Perubahan konduktivitas termal fluida dingin(air) berubah
Perhitungan Shell and tube Perhitungan Shell and tube
dikembangkan  berdasarkan  metode  Kern  yang menggunakan  prinsip  keseimbangan  energi, yaitu  energi  panas  yang  dilepas  sama  dengan energi panas yang diserap. Persamaan- persamaan  yang  berkaitan  adalah  sebagai berikut:
Metode optimasi Kern pada penelitian ini menggunakan  prinsip trial  and  eror .  Secara garis  besar  dapat  dilihat  pada  diagram  alir berikut ini :

## Gambar 1.  Diagram alir perancangan dengan metode Kern
Data  input  yang  diperlukan  adalah temperatur  dan  laju  aliran  masa  kedua  fluida, trial  and  eror dimensi,  kemudian  dilakukan proses perhitungan kecepatan fluida dalam pipa dan  cangkang.  Jika  kecepatan  fluida  dan kebutuhan pembuangan kalor terpenuhi, dilanjutkan  dengan  perhitungan  kinerja  yang meliputi  perpindahan  panas  menyeluruh  (U), perubahan  temperatur  logaritmik  (ΔTLMTD), kemampuan
perpindahan panas
(QREJECTION),  kalor  yang  dibuang  fluida panas  (QHOT),  dan  kalor  yang  diserap  fluida dingin  (QCOLD).  Namun  jikakecepatan  fluida di  dalam  pipa  dan  cangkang  tidakterpenuhi, maka dilakukan lagi trial and eror dimensi alat penukar kalor.

## Perhitungan Guentner
Perhitungan  guentner  digunakan  untuk desain  penukar  panas  tipe  compact,  dimana  data input  adalah  temperatur  dan  laju  masa  fluida panas  dan  dingin.  Data  pembanding  yang digunakan  adalah  water  cooler  high  temperature mesin  SDW  6TM410RR,  pemilihan  ini  karena panas  dibuang  dan  konduktivitas  termal  fluida hampir sama dengan air cooler Saguling.

## Hasil Dan Pembahasan
Analisa  pengaruh  konduktivitas  termal bahan pipa akan dibahas dengan tiga metode dan tiga  kondisi  yang  berbeda.  Metode  pertama mengunakan Perhitungan persamaan dasar pindah panas dan data input air cooler generator saguling. Metode  kedua  menggunakan  Perhitungan  shell and  tube  dan  data  input  oil  cooler  kayu  merah. Metode  tiga  menggunakan  metode  Perhitungan quentner  dan  data  input  cooler  low  temperature mesin SDW 6TM 410RR.

## Perhitungan Sederhana
Cominyak pelumasng Sistem Air Cooler Generator PLTA Saguling. Cominyak pelumasng System Performance: 1. Power output gen.= 175 MW
2. Heat rejection gen.= 1732kW
3. Air inlet temp.= 65oC
4. Air outlet temp.= 41oC
5. Water inlet temp.= 30oC
6. Water outlet temp.= 34oC
7. Toal water flowrate =12500 liter/min
Gambar 2.  Diagram alir perancangan dengan

## metode Kern
Batasan Analisis:
Berdasarkan metode Perhitungan sederhana seperti  yang  ditunjukkan  Tabel  2,  dengan menggunakan  persamaan  dasar  pindah  panas, pergantian  pipa  CuNi  dengan  pipa  AISI  304
menyebabkan  perubahan  konduktivitas  termal  di sisi  sirip  dari  337  180.9  W/  oC  menjadi  126  549 W/moC  menyebabkan  penurunan  U  dari  48.45 W/m2oC  menjadi  48.33  W/m2  oC,  sehingga cominyak  pelumasng  capacity  cooler  berkuran sebesar 0,24%.
Tabel 2 Penurunan kapasitas  pendingin

## Perhitungan Shell and tube
Tabel 3 Data oil cooler SWD 6TM 410 RR
Berdasarkan  metode  Perhitungan  shell  and tube dengan menggunakan metode Kern, pergantian  pipa  CuNi  dengan  pipa  AISI  304 menyebabkan  penurunan  U  dari  291  W/m2oC menjadi  287.2W/m2  oC,  sehingga  cominyak pelumasng  capacity  cooler  berkurang  sebesar 1.30%.

## Perhitungan Guentner
Tabel 4 Data Pendingin air SWD 6TM410 RR

## Analisis Tiga Metode
Tabel 5 Hasil perbandingan Tiga Metode Analisis
Berdasarkan ketiga metode, penurunan cominyak pelumasng capcity cooler antara 0.24% sampai  1.54%  untuk  mengatasi  penurunan tertinggi, direkomendasikan perluasan permukaan sentuh  air  cooler  PLTA  Saguling  ditambah sebesar  20%,  hasi  perhitungannya  ditunjukkan pada Tabel 6.
Tabel 6. Tabel hasil perhitungan
Penambahan luas permukaan sentuh sebesar 20% menyebabkan penurunan laju air dari 1  m/smenjadi  0.8  m/s  dan  peningkatan  dari  433 kW menjadi 518 kW.

## Kesimpulan
Analisa  pengaruh  konduktivitas  termal bahan pipa  akan  dibahas  dengan  tiga  metode  dan  tiga kondisi yang berbeda. Metode pertama mengunakan perhitungan persamaan dasar pindah panas  dan  data  input air  cooler  generator PLTA Saguling. Metode kedua menggunakan
perhitungan shell  and  tube dan  data oil  cooler SWD  6TM  410RR  Kayu  Merah.  Metode  tiga menggunakan  metode  perhitungan  Guentner  dan data water  cooler mesin  SDW  6TM  410RR. Berdasarkan metode perhitungan sederhana dengan  menggunakan  persamaan  dasar  pindah panas,  pergantian  pipa  CuNi  dengan  pipa  AISI 304 menyebabkan perubahan konduktivitas termal di sisi sirip dari 337180.9 W/m oC menjadi 126549 W/m oC, sehingga menyebabkan penurunan  U  dari  48.45  W/m2 o C  menjadi  48.33 W/m2  oC,  sehingga  kapasitas  pendinginan berkurang  sebesar  0.24%.  Berdasarkan  metode perhitungan shell  and tube dengan  menggunakan metode  Kern,  pergantian  pipa  CuNi  (90-10) dengan pipa AISI 304 menyebabkan penurunan U dari  291  W/m2oC  menjadi  287.2W/m2  oC, sehingga kapasitas pendinginan berkurang sebesar 1.30%. Berdasarkan metode perhitungan shell and tube dengan menggunakan metode Kern,
pergantian  pipa  CuNi  (90-10)  dengan  pipa  AISI 304  menyebabkan  penurunan  U  dari  45.56 W/m2oC  menjadi  44.86  /m2  oC,  sehingga kapasitas  pendinginan  berkurang  sebesar  1.54%. Berdasarkan  ketiga  metode,  penurunan  kapasitas pendinginan cooler antara  0.24%  sampai  1.54% untuk mengatasi penurunan tertinggi,
direkomendasikan  perluasan  permukaan  sentuh air cooler  generator PLTA  Saguling  ditambah 20%, Penambahan luas permukaan sentuh sebesar 20%  tersebut  akan  menyebabkan  penurunan  laju air  dari  1  m/s  menjadi  0.8  m/s  dan  peningkatan kapasitas  pendinginan  dari  433  kW  menjadi  518 kW.
Daftar Notasi ΔP : Headloss (Bar)
ΔT : Perubahan temperatur (oC) ΔTLMTD : Log perubahan temperatur (oC) μb : Viscositas pada temperatur rata-rata minyak pelumas (kg/m s) Μw :Viscositas pada temperatur film (kg/m s) A : Luas permukaan sentuh (m2) cp : Kalor jenis (J/kgoC) De : Diameter equivalent (m) di : Diameter dalam pipa (m) do : Diameter luar pipa (m) Ds : Diameter cangkang (m) F : Friction factor Gs : Laju masa per luas (kg/m2 s) H : Koefisien pindah panas di sisi pipa (W/m2 oC) ho : Koefisien pindah panas di sisi cangkang (W/m2 oC) k : Konduktivitas pipa (W/m oC) m : laju masa (kg/s) Nb : Jumlah baffle Q : Heat rejection (kW) Qhe : Heat rejection penukar kalor pipa CuNi Q’he : Heat rejection penukar kalor pipa SUS 304 ri : Jari-jari dalam pipa (m) ro : Jari-jari luar pipa (m) Tc,i : Temperatur air masuk (oC) Tc, : Temperatur air keluar (oC) Th,i : Temperatur minyak pelumas masuk (oC) Th,o : Temperatur minyak pelumas keluar (oC) U : Pindah panas total (W/m2 oC) Ρ
: massa jenis (kg/m3)

## Daftar Pustaka
Bejan  A,  Tsatsaronis  G,  Moran  M.  1996. Thermaldesign  and  0ptimazation. New York: John Willey and Son, Inc.
Boehm,  R.F . 1987. Design  of  Analysis  of ThermalSystem. New  York:  John  Wiley and Sons. Bird RB, Stewart WE, Lightfoot EN .
1994. Transport  phenomena. Singapore:
John Willey and Son Inc. Cengel YA. 2003. Heat transfer a practicalapproach . Second Edition. Singapore: Mc Graw Hill.
Cengel  YA,  Boles  MA.  2006. Thermodynamics an  engineering  approach .  Fifth  Edition  in
SI Unit. Singapore: Mc Graw Hill. Moran  JM,  Shapiro  NH.  1988. Fundamental  of Engineering  Thermodynamics .  New  York: John Willey and Son, Inc.
Perry Robert H. and Chilton Cecil
H.1973. Chemical  Engineers  Handbooks . McGraw-Hill Kogakusha, Ltd, Tokyo. Stocker  WF.  1989 .  Design  of  thermal  system. New York. McGraw-Hill, Inc. Suresh  MVJJ,  Reddy  KS,  Ajit  Komar  Kolar. 2006. Energy and Exergy based Thermodynamics Analysis  of  62.5  MW
Coal-Based  Thermal Power  Plants –  A
Case  Study .  Indian  Institut  of  Technology Madras Chenai, India. Suryanarayana NV, Arici Oner. 2003. Design and simulation of thermal system . New York:
Mc Graw-Hill Higher Education