Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 56-63
Analisis Pengaruh Modifikasi Penukar Panas Terhadap Efisiensi Pendinginan Oli Gearbox Separator pada Pabrik Semen
Norman Iskandar a, *, Riventus Aritonang a
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudarto, SH – Tembalang, Semarang 50275 Telp. (024) 7460059
*E-mail: norman.undip@gmail.com

## Abstract
Inside the cement factory, there is a finish mill which functions for the mixing process between clinker and  gypsum  to  be  used  as  cement.  In  that  section  there  is  a  separator  that  functions  to  separate  the finished cement and cement that still requires a re-milling process. In the separator there is a separator rotor which has a role to separate cement according to the size of the granulation so that those with standard  sizes  can  be  easily  pushed  by  the  circulating  air  fan  and  brought  to  the  cement  silo.  The separator rotor is rotated by a motor which is passed by the gearbox as the transmission system. In order for the gearbox to work optimally, oil with certain temperature conditions is needed. Over time, the oil will become hot and cannot work effectively, so an oil cooling system is installed in this system. The oil cooler  is  a  heat  exchanger  with  water  cooling  fluid.  This  study  aims  to  apply  the  NTU  (Number  of Transfer Units) method, in order to obtain an efficient and suitable heat exchanger working system as an oil cooler. The results obtained are an increase in efficiency of 2.74% from 35% to 37.74%.
Keywords: Oil Cooler, Heat Exchanger, NTU Method, Gearbox, and Root Cause Failure Analysis

## Abstrak
Di  dalam  pabrik  semen  terdapat  bagian finish  mill yang  berfungsi  untuk  proses  pencampuran  antara klinker dan gipsum untuk dijadikan  semen.  Pada  bagian  tersebut  terdapat  separator  yang  berfungsi untuk  memisahkan  antara  semen  yang  sudah  jadi  dan  semen  yang  masih  memerlukan  proses penggilingan  kembali.  Dalam  separator  terdapat  rotor  separator  dimana  memiliki  peran  untuk memisahkan  semen  sesuai  ukuran  granulasinya  sehingga  yang  memiliki  ukuran  standar  dapat  mudah didorong oleh c irculating air fan dan dibawa  ke  silo  semen.  Rotor  separator  diputar oleh motor yang dilewatkan gearbox sebagai  sistem  transmisinya.  Agar gearbox dapat  bekerja  secara  maksimal, dibutuhkan oli dengan kondisi temperatur tertentu. Seiring berjalannya waktu, oli akan menjadi panas dan  tidak  dapat  bekerja  secara  efektif,  sehingga  didalam  sistem  ini  dipasang  sistem  pendingin  oli. Pendingin oli tersebut berupa alat penukar panas dengan fluida pendingin air. Penelitian ini bertujuan untuk  menerapkan  metode NTU ( Number of Transfer Units ), sehingga dapat diperoleh  sistem   kerja penukar    panas    yang    efisien    dan    sesuai    sebagai  pendingin  oli.  Hasil  yang  diperolehHasil  yang diperoleh adalah adanya peningkatan efisiensi sebesar 2,74% dari 35% hingga 37,74%. .
Kata kunci: Pendingin Oli, Penukar Panas, Metode NTU, Gearbox , dan Root Cause Failure Analysis
1. Pendahuluan
Di dalam pabrik semen terdapat bagian atau area yang disebut bagian raw mill, kiln , dan finish mill .   Pada   bagian finish   mill ,   terdapat   separator   yang   berfungsi   untuk memisahkan produk yang memiliki dimensi sesuai standar untuk dimasukkan ke silo dan produk yang secara ukuran masih terlalu besar dimensinya dimana produk tersebut harus dipisahkan  untuk  kemudian  akan  digiling  kembali  di mill .  Proses  pemisahan  tersebut  menggunakan  rotor  separator sebagai alat utamanya dimana alat tersebut akan beroperasi guna membawa material yang diproses ke  bagian  dinding. Selanjutnya material tersebut akan diproses lanjut oleh Circulating  Air  Fan  (CAF), yang akan  meniup  material yang memiliki ukuran standar menjadi produk jadi yang akan ditampung di silo, sedangkan material yang masih berukuran besar dan berat tidak akan tertiup CAF dan jatuh kembali ke mill untuk dihaluskan lagi sampai memenuhi ukuran standar. Untuk  menjalankan  rotor  pada  separator, dibutuhkan gearbox sebagai  alat  transmisi  daya  dari    motor    ke    rotor. Didalam gearbox tersebut    terdapat    sistem  pelumasan  oleh  cairan  oli.  Dalam  kerjanya,  oli  dalam gearbox akan mengalami  kenaikan  suhu,  sehingga  pada gearbox ini  diberikan  sistem  pendingin  guna  menjaga  agar  temperatur  oli terjaga pada kondisi kerja optimum. Skema dari sistem ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 56-63
Gambar 1. Skema sistem separator dan oil cooler [4]
Penukar  panas  dengan  fluida  air  pernah  dipasang  sebagai  sistem  pendingin  untuk  oli gearbox .  Namun  karena pasokan utama air dari water pond berkurang dan pompa juga mengalami kerusakan, proses perpindahan panas pada oli gearbox dengan  fluida  air  ini  dihentikan.  Proses  pendinginan  oli gearbox pada  rotor  separator  kemudian  digantikan dengan proses perpindahan panas secara konveksi dengan menggunakan cooling fan . Penggunaan cooling fan memang dirasa cukup baik pada awalnya, namun pada akhirnya muncul permasalahan kehandalan yaitu jika beban yang diterima cooling  fan terlalu  besar, cooling  fan seringkali  mengalami  trip.  Ketika cooling  fan tidak  berjalan  dengan  semestinya karena mengalami trip atau kerusakan, gearbox tidak lagi memiliki sistem pendinginan untuk olinya.
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis bagaimana memfungsikan kembali sistem pendingin fluida air tersebut serta untuk meningkatkan efisiensinya dan menjadikannya sebagai oil cooler primer , dan sebagai pendingin sekundernya adalah cooling  fan yang  hanya  beroperasi  jika  pendingin  utama  oli    tidak  mampu  berjalan.  Penelitian  ini  akan menggunakan  metode  RCF A dan  analisis  NTU  untuk  proses  analisisnya. Root  Cause  Failure  Analysis (RCFA) merupakan salah satu metode untuk mencari permasalahan dari suatu  komponen  yang  berjalan  tidak  sesuai  dengan yang  seharusnya . RCFA dapat dipakai ketika permasalahan atau kegagalan sudah terjadi pada komponen [3].
2. Material dan Metode Penelitian
2.1 Desain dan Material Alat Penukar Panas
Dalam penelitian ini tipe dan desain dari alat penukar panas serta detail bagian atau komponen beserta fungsinya dijelaskan pada Gambar 2. Komponen nomor 1 pada Gambar 2 adalah Head atau channel, berfungsi sebagai penutup shell yang berbentuk seperti pipa. Dan terdapat nozzle sebagai in-out fluida yang dipanaskan atau didinginkan. Komponen nomor 2 adalah S hell yaitu bagian berbentuk silinder dan sebagai tempat untuk proses pertukaran kalor dimana didalam shell terdapat tube-tube sebagai tempat mengalirnya fluida, dan nozzle sebagai fluida pemanas/pendingin. Komponen nomor 3 adalah tube dan tubesheet. Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda suhunya diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Tubesheet berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell . Tube berada didalam flange yang sering disebut tubesheet . Komponen nomor 4 adalah Baffle atau sekat didalam shell yang digunakan untuk menahan dan mengurangi beban yang membentang sepanjang, dan juga untuk menaikkan kecepatan aliran fluida.
Proses perancangan dan pembuatan alat penukar panas dalam penelitian ini  mengacu pada standar TEMA (Tubular Exchanger  Manufactuers  Assosiation )  dan  standar  ASME  ( American  Society  to  Mechanical  Engineering ) section  IX seperti ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar 2. Komponen utama penukar panas [1]
Gambar 3. Standar desain heat exchanger ASME [6]
Spesifikasi dari material yang digunakan ditampilkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Bahan dan Material pada Alat Penukar Panas [2]
No Nama Part Material Dimensi 1 Shell SA240.TP304L ID.1000x696.5x8t 2 Channel SA.285 Gr.C ID.1000x725x12t 3 CoverChannel SA.285 Gr.C Φ1289x65t 4 Tube SA.213.TP316L Φ19.05x9004 5 Tubesheet SA240.TP304L PI.Φ1016x44t 6 Baffle SA240.TP304L PI.Φ994x529x10t
2.2 Skema RCFA ( Root Cause Failure Analysis )
Gambar 4. Skema RCFA ( Root Cause Failure Analysis )
Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 56-63
Skema RCFA pada Gambar 4 yang merupakan hasil kajian terhadap komponen oil cooler dari gearbox separator yang ada di lapangan, menunjukkan berbagai permasalahan yang ada pada komponen oil cooler. Berdasarkan Gambar 4 penjelasan lengkap mengenai RCFA tersebut adalah sebagai berikut:
Kasus  A  yaitu  adanya  kasus  kurangnya  volume  oli. Gearbox membutuhkan  jumlah  oli  yang  cukup  agar  dapat berjalan dengan baik. Volume  oli yang semakin besar akan membantu penyerapan panas pada gearbox , sehingga panas yang dihasilkan dari gesekan tersebut tersebar merata pada oli. Untuk memeriksa apakah oli sudah cukup di gearbox , hal tersebut dapat dilihat dari lubang kaca yang terpasang pada gearbox ( oil sight glass ) [2].
Kasus B , apakah oli yang digunakan tidak sesuai dengan spesifikasi standar. Viskositas atau kekentalannya harus disesuaikan  dengan  kebutuhan  komponen  tersebut.  Dari  spesifikasi gearbox ,  dapat  dilihat  bahwa  oli  yang  dibutuhkan untuk  pelumasan    adalah    ISO-VG  320.    Hasil  pengecekan  dilapangan  menunjukkan  bahwa  oli  dalam gearbox sudah sesuai dengan spesifikasi ISO-VG 320 [2].
Kasus C  yaitu  apakah temperatur awal oli  yang  sudah terlalu tinggi.  Jika temperatur awal oli sudah panas, tentu sistem  pendingin  tidak  akan  berjalan  dengan  efektif.  Hal  tersebut  karena  energi  yang  dibutuhkan  untuk  menurunkan temperatur lebih tinggi, terutama jika pendingin hanya berupa air bertemperatur ruangan. Pada alat telah dipasang sistem untuk mencegah overheating , yaitu ketika temperatur oli sudah mencapai 85°C, sistem akan trip untuk mencegah adanya kerusakan yang terjadi. Dari data rekam jejak dan sistem kontrol dari gearbox , diperoleh data kondisi dimana temperatur masuk oli pada pendingin tidak terlalu panas atau tidak ekstrim [2].
Kasus D dimana air pendingin tidak dapat mencapai ketinggian lokasi yang dituju. Sistem  pendingin  juga  tidak dapat  berjalan  dengan  baik  jika  debit  air terlalu kecil. Salah satu penyebab debit air terlalu kecil adalah pompa air tidak dapat menyuplai airnya hingga ke ketinggian cooler tersebut. Ketinggian tersebut tidak tercapai karena disebabkan oleh berbagai hal. Misalnya pompa yang memiliki daya yang kurang untuk menaikkan air, atau bisa juga dari pipa yang memiliki  banyak head  loss ,  sehingga  aliran  air  pun  terhambat.  Namun,  pada  proses  sebelumnya, oil  cooler sempat dijalankan  dan  dalam  prosesnya,  mampu  menurunkan  temperatur  oli hingga 7 °C, hal tersebut membuktikan bahwa, air sudah dapat mencapai ketinggian dari oil cooler tersebut [2].
Kasus E yaitu tentang adanya endapan didalam pipa. Air  tentu   tidak   dapat   mengalir  jika  pipa   mengalami pemampatan.  Penyebab  utama  dari  pemampatan  merupakan  adanya  partikel-partikel  lain  seperti  kotoran  yang  dapat mengendap  pada  permukaan  pipa.  Jika  pengendapan  tersebut  sudah  melebihi  batas,  aliran  pipa  akan  terhambat,  atau bahkan berhenti. Diperlukan sistem kontrol untuk mengatur hal tersebut.Salah satunya dengan adanya keran pada ujung terbuka, dengan begitu, bila air mengalir secara tidak normal, dapat ditentukan bahwa adanya pemampatan. Sistem kontrol yang preventif tersebut mencegah adanya pemampatan yang berjangka panjang pada sistem pemipaan. Selain itu, kondisi air dapat dilihat pada water sight glass yang menunjukkan seberapa besar aliran yang terjadi pada pipa tersebut. Dalam observasi, pengecekan keran dan water sight glass tidak dapat dilakukan karena tidak ada air yang mengalir ketika pompa air masih dalam keadaan rusak [2].
Kasus  F    adalah  dimana  kurangnya  luas  permukaan  kontak  yang  ada.  Kasus  ini  merupakan  kasus  yang  akan dianalisis  dalam  laporan  ini,  permasalahan  yang  terjadi  adalah  mungkin  karena  luas  permukaan  kontak  kurang  untuk mendinginkan  temperatur  lebih  jauh.  Dengan  dimensi  ruang  yang  terbatas,  luas  permukaan  kontak  tidak  dapat  dibuat terlalu besar. Rata-rata penurunan rekam jejak sebelumnya adalah 7 °C dari temperature 47 °C hingga 40 °C. Perlu adanya cross check apakah penukar panas yang sebelumnya terpasang sudah sesuai dengan luas permukaan kontak minimum. Setelah   melakukan   inspeksi,   dilakukan   upaya   agar penurunan temperatur dapat lebih besar dari sebelumnya. Laporan ini bertujuan untuk menganalisis apakah performa penukar panas dapat ditingkatkan hingga dapat menurunkan oli dari temperatur 80 °C hingga 60 °C agar tidak terjadi peringatan/ warning seperti pada kejadian sebelumnya [2].

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1  Analisis Penukar Panas Lama
Seperti yang sudah dibicarakan sebelumnya, pernah dibuat sistem pendingin oli pada gearbox separator 4-B, namun karena pompa yang rusak, operasi   penukar   panas   terpaksa   dihentikan. Agar   mendapatkan   bayangan mengenai penukar panas yang baik untuk gearbox separator 4-B, dilakukan analisis   penukar   panas   lama   terlebih   dahulu. Prosedur   analisis   tersebut ditunjukkan pada Gambar 5. Proses desain penukar panas dengan sistem NTU dimulai dari langkah – langkah berikut[3]:
Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 56-63
Gambar 5. Diagram skematik prosedur analisis penukar panas
Nilai  NTU  yang  sudah  didapatkan  dari  diagram  alir  prosedur  analisis  penukar  panas  pada  Gambar  8,  sehingga dimensi dari penukar panas dapat ditentukan dengan persamaan 1 [5].
𝑵𝑻𝑼 = 𝑼𝑨 𝑪 𝒎𝒊𝒏 ( 1)
dimana:
NTU = Number of Transfer Units U = nilai koefisien perpindahan rata-rata antara dua fluida (W/m 2 K) A = luas permukaan kontak kedua fluida (m 2 )
C min = nilai kapasitas panas minimum fluida (J/sK)
Persamaan 1 menunjukkan nilai dari panas yang ditransfer tiap meter persegi oleh suatu fluida. Nilai U dapat dilihat pada tabel koefisien perpindahan panas rata-rata, dimana nilai U untuk oli dan air berkisar sekitar 110 - 350 W/m 2 K. Diambil  nilai tengah  yaitu 230 W/m 2 K untuk digunakan  dalam perhitungan ini. Didapatkan luas  permukaan kontak minimum sebesar 0,416 m 2 . Dalam shell and tube nilai  tersebut adalah luas permukaan luar pipa yang terendam dengan tangki air. Diameter luar pipa sebesar 21,7 mm dan diameter dalamnya sebesar 16,1 mm. Bidang yang berkontak dengan air adalah luas permukaan pipa dengan diameter  21,7  mm,  sedangkan  oli  berkontak  pada  luas  permukaan  dengan diameter 16,1 mm. Dengan  menggunakan asumsi pipa tipis, dapat ditentukan diameter rata-rata sebesar 18,9 mm.
Dengan diameter tersebut dapat diperkirakan keliling pipa tersebut yaitu senilai 0,0594 m. Dengan luas permukaan yang ada maka panjang yang dibutuhkan pada penukar panas ini adalah 7,01 m. Panjang 7,01 m harus dibagi menjadi beberapa saluran/ passes . Pada umumnya jumlah lapisan  saluran berjumlah genap. Dengan memperhitungkan berbagai faktor dalam pembuatan shell sebagai penyalur air dan tube sebagai penyalur oli, jumlah belokan yang paling mendekati dengan penukar panas lama adalah sebanyak 24 buah. Dengan 24 buah saluran ini, dibutuhkan ruang sebesar 926 x 330 x 57 mm 3 . Hal ini tidak sesuai dengan data karena volume penukar panas pada kenyataannya adalah sebesar kira-kira 800 x 200 x 90 mm 3 . Hal tersebut menunjukkan bahwa penukar panas yang lama belum memenuhi luas permukaan minimum dalam upaya menurunkan temperatur oli 47 °C ke 40 °C.

## 3.3   Analisis Penukar Panas Baru
Karena kemampuan dari penukar panas lama dirasa kurang efektif, perlu dirancang penukar panas baru yang lebih baik. Basis dari perhitungan penukar panas baru sama dengan penukar panas sebelumnya. Asumsi yang digunakan yaitu [3]: kondisi s teady state, constant heat properties, g esekan diabaikan, pipa tipis, tidak ada radiasi dari luar sistem, panas berpindah dari oli ke air, dan pipa penuh terisi air dan oli.
Perbedaan  dari  permasalahan  sebelumnya  dan  sekarang  terletak  pada  temperatur  masuk  dan  keluar  oli.  Penukar panas  baru  ditargetkan  dapat  mendinginkan  oli  yang  temperatur  awalnya  mencapai  80  °C,  yaitu  kondisi  yang  cukup ekstrim. Temperatur keluar pendinginan oli diharapkan dapat turun hingga 60 °C. Asumsi massa jenis oli sebesar 884,1 kg/m3 dan kalor jenis oli 1,88 kJ/kg[6]. K masih berlaku, dan debit oli masih sebesar 8 liter/menit dengan keran yang dibuka setengah.
Bagian yang lebih penting daripada pipa dalam pembuatan penukar panas adalah shell , karena shell juga merupakan housing dari penukar panas tersebut dan secara langsung menempati ruangan. Dalam pembuatan shell , diperlukan banyak
Iskandar, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 56-63
pertimbangan  dalam  penentuan  dimensi  panjang,  lebar,  dan  tebal  penukar  panas.  Untuk  lebar shell ,  lebar  275  mm ditambah dengan dua kali diameter rata-rata tube (275 + 2 x 18,9 mm). Akhirnya ditentukanlah lebar shell sebesar 313 mm. Untuk panjang, agar pendinginan dari air dapat berjalan dengan baik, jarak antar saluran tube dibuat sejauh diameter pipa tersebut. Maka dari itu perhitungan panjang dapat dijelaskan dalam persamaan 2 [5].
𝑝 = 𝐷 (2𝑛 + 1) ( 2)
dimana: p     = panjang shell (mm) D    = diameter rata-rata (mm) n     = jumlah saluran pipa
Dengan rumus  persamaan 2 didapatkan panjang shell sebesar 1077 mm. Pertimbangan terakhir adalah ketebalan penukar panas yang diperkirakan sebesar tiga kali diameter rata-rata pipa, yaitu kira-kira sebesar 57 mm. Dimensi total dari penukarpanas tersebut adalah 1077 x 313 x 57 mm3. Pada bagian shell , diberikan 2 lubang masuk dan keluar dari pipa air. Ukuran tersebut mencukupi volume ruang 1200 x 400 x 100 mm 3 sesuai dengan keterbatasan tempat. Dengan penukar panas ini, akan didapatkan efisiensi dan penurunan temperatur yang lebih tinggi daripada sebelumnya. Sketsa dari penukar  panas  tersebut  dapat  ditunjukkan  pada  Gambar  6 dan  ketebalan  dari penukar panas sebesar 57 mm.
Gambar 6. Sketsa alat penukar panas (a) lama dan (b) baru

## 4. Kesimpulan
Penukar panas baru yang akan dirancang memiliki efisiensi yang lebih tinggi dari sebelumnya. Peningkatan efisiensi sebesar 2,74% dari 35% hingga 37,74%. Penukar panas yang lama sebelumnya hanya mampu menurunkan temperatur 7 °C dari 47 °C hingga ke 40 °C, namun penukar panas yang baru dapat menurunkan temperatur sebesar 20°C dari 80 °C ke  60  °C.  Luas  permukaan  kontak  untuk  penukar  panas  yang  baru  adalah  sebesar  0,458  m2. Tube merupakan  pipa galvanized yang memiliki spesifikasi Y " x 6 M. Dengan luas kontak tersebut, panjang minimum adalah sebesar 7,71 m. jumlah  lapisan  saluran  pipa  yang  ada  di  dalam  penukar  panas  adalah  28  buah.  Dengan  memperhitungkan  aliran  air pendingin yang berada dalam shell , panjang shell tersebut adalah kira-kira sebesar 1077 mm, lebarnya kira-kira sebesar 313 mm, dan tebalnya sebesar 57 mm. Hal ini disesuaikan dengan asumsi dari batasan masalah untuk analisis penukar panas pada kondisi suhu awal 80°C.
P = 1077 mm l = 313 mm 18,9 mm 18,9 mm 18,9 mm 30,6 mm T h2 = 60 o C T h1 = 80 o C c h1 = 1,88 kJ/kgK ρ h1 = 884,1 kg/m 3 Q h1 = 8 L/menit T c1 = 27 o C C c1 = 4,179 kJ/kgK Ρ c1 = 996,512 kg/m 3
Q c1 = 15 m 3 /h

## Daftar Pustaka
[1] API Heat Transfer.2017. Basco® Type OP Shell & Tube Heat Exchangers .http://www.apiheattransfer.com/Product/52/Type-OP-Shell-Tube-Heat-Exchanger.
[2]      PT Indocement Tunggal Prakarsa Tbk, 2016, http://www.indocement.co.id/V5/id/
[3] The Aladon Network., 2016, " What is RCFA? ” http://www.thealadonnetwork.com/about-rcm/what-is-rcfa/.
[4] The Cement Grinding Office., 2016, " Separators in the Cement Industry, ” http://www.thecementgrindingoffice.com/cyclonesdeVelop.html
[5] Incropera,  F.P.,  DeWitt,  D.P.,  Bergman,  T.L.,  and  Lavine.,  A.S.,  2006,  ” Fundamentals  of  Heat  and  Mass Transfer ,6th edition,” pp 686–688, John Wiley & Sons US.
[6] Tubular  Exchanger  Manufacturers  Association  (TEMA).,  2007,  “ Standards  of  theTubular  Exchanger Manufacturers Association, 9th edition ,” TEMAInc. New York.