Abstrak—Pembangkit  listrik  dengan  sumber  energi  berjeda perlu dirangkaikan dengan perangkat penyimpan energi listrik yang dapat mengisi daya saat terjadi kelebihan pembangkitan energi  listrik  dan  melepaskan  daya  saat  diperlukan  konsumsi energi listrik tambahan. Vanadium Redox Flow Battery (VRFB) menjadi  perangkat  penyimpan  daya  yang  memiliki  efisiensi energi yang tinggi, siklus hidup yang panjang, keamanan yang dapat diandalkan, terutama independensi kapasitas dan daya. Temperatur  sel  baterai  harus  dikendalikan  dalam  rentang temperatur  5 o C  sampai  dengan  40 o C  untuk  menghindari terjadinya  presipitasi.  Pada  penelitian  ini,  dilakukan  analisis rancangan  penukar  kalor  tipe  shell  and  tube  untuk mendinginkan  elektrolit  pada  VRFB  agar  dapat  beroperasi dalam  rentang  temperatur  operasi  yang optimal serta  analisis temperaturnya.  Analisis  dilakukan  menggunakan  software ANSYS Fluent dengan variasi laju aliran massa dan temperatur inlet fluida. Shell and tube yang digunakan adalah tipe 1-2 pass dengan  counter  flow  dan standardisasi  TEMA  tipe CEP.  Over design pada shell and tube memiliki nilai  di bawah 30%. Shell and tube dapat mendinginkan elektrolit vanadium pada VRFB dengan laju aliran massa elektrolit vanadium 0,052 kg/s hingga 0,2  kg/s,  dan  laju  aliran  massa  air  0,25  kg/s  hingga  0,75  kg/s. Kontur temperatur menunjukkan penurunan temperatur outlet elektrolit vanadium saat peningkatan laju aliran massa air, dan peningkatan  temperatur  saat  peningkatan  laju  aliran  massa elektrolit  vanadium.  Temperatur  inlet  dan  outlet  elektrolit vanadium  memiliki  hubungan  linear,  dengan  rentang pendinginan  30°C  hingga 60°C.Peningkatan laju aliran  massa mempengaruhi pressure drop, dengan nilai tertinggi  13,45 kPa pada sisi shell dan 0,538 kPa pada sisi tube, serta nilai terendah 1,258 kPa pada sisi shell dan 0,052 kPa pada sisi tube.
Kata Kunci—ANSYS Fluent, Battery, Elektrolit, Shell and Tube, VRFB.

## I. PENDAHULUAN
NERGI  terbarukan  ( renewable  energy )  adalah  sumber energi  yang  diharapkan  dapat  menggantikan  peran  dari energi  tak  terbarukan  ( non-renewable  energy )  seperti  batu bara,  minyak  bumi,  dan  gas  bumi,  yang  saat  ini  masih menjadi sumber energi utama dunia. Indonesia dalam hal ini juga  berusaha  melakukan  percepatan  pengembangan  energi terbarukan  melalui  Peraturan  Presiden  Republik  Indonesia No.  112  Tahun  2022  tentang  Percepatan  Pengembangan Energi Terbarukan untuk Penyediaan Tenaga Listrik, yang di dalamnya  dijelaskan  bahwa  PT.  Perusahaan  Listrik  Negara (PLN) Persero harus menyusun Rencana Usaha Penyediaan Tenaga Listrik (RUPTL) dengan mengutamakan pengembangan energi terbarukan dan mempercepat pengakhiran  operasional  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Uap (PLTU)  yang  masih  menggunakan  energi  tak  terbarukan berupa  batu  bara.  Tidak  seperti  batu  bara  atau  bahan  bakar fosil yang memerlukan waktu lama dalam pembentukannya, energi terbarukan akan terus diproduksi selama masih dapat
terjadi  siklus  pembentukan  energinya  secara  alami  dalam waktu yang relatif lebih singkat dari energi fosil. Selain itu, energi terbarukan juga menghasilkan polusi lingkungan lebih kecil dibandingkan energi tak terbarukan [1-2].
Energi  surya  dan  energi  angin  adalah  energi  terbarukan yang  termasuk  dalam  bauran  energi  primer  nasional  pada tahun 2025. Adapun upaya pemerintah dalam merealisasikan bauran  energi  terbarukan,  yakni  dengan  menargetkan instalasi energi surya sebesar 0,87 GW pada tahun 2024 dan energi angin sebesar 0,97 GW pada tahun 2025. Di samping keutamaan  yang  dimiliki,  energi  surya  dan  energi  angin merupakan intermittent  energy ,  yakni  sumber  energi  yang berjeda, energi surya hanya tersedia saat matahari sudah terbit dan  energi  angin  hanya  tersedia  saat  kecepatan  angin memadai untuk menggerakkan baling-baling turbin. Ketidaksinambungan  dalam  sistem  pembangkit  tersebut mengakibatkan  terjadinya  ketimpangan  antara  ketersediaan sumber energi dan permintaan dari energi listrik. Maka dari itu, pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dan pembangkit listrik tenaga bayu/angin (PLTB) perlu dirangkaikan dengan perangkat penyimpan energi listrik yang dapat mengisi daya saat  terjadi  kelebihan  pembangkitan  energi  listrik  dan melepaskan  daya  saat  diperlukan  konsumsi  energi  listrik tambahan [3].
Di  antara  teknologi  perangkat  penyimpan  energi  listrik, Vanadium  Redox  Flow  Battery (VRFB)  menjadi  salah  satu baterai  yang  memiliki  banyak  keuntungan,  yaitu  efisiensi energi  yang  tinggi,  siklus  hidup  yang  panjang,  keamanan yang dapat diandalkan, terutama independensi kapasitas dan daya.  Oleh  karena  itu,  VRFB  sering  digunakan  untuk menyeimbangkan pembebanan, catu daya yang tak terputus, cadangan energi darurat, dan memfasilitasi penyaluran energi listrik  yang  bersumber  dari  fotovoltaik  dan  turbin  angin. Bagaimanapun juga pemodelan VRFB perlu memperhatikan analisis termal, seperti pengaplikasian baterai konvensional, yaitu baterai litium, asam timbal, dan sel tunam, pada mobil

## Analisis Numerik Perancangan Alat Penukar Kalor Shell and Tube pada Sistem Vanadium Redox Flow Battery
Abdulghani Ramadhan Munandar dan Ary Bachtiar Krishna Putra Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
E-mail : aribach@me.its.ac.id
E
Tabel 1. Spesifikasi VRFB yang akan diteliti.
Parameter Nilai
Temperatur Operasi -30 o C s.d. 60 o C Rated Voltage 48 V Direct Current Rated Current 105 A Rated Power 5 kW Rated Time 4 hours Rated Energy 20 kWh
Rated Capacity
420 Ah Daya Maksimum 20 kW Jenis Elektrolit 1,5M Vanadium (IV/III) Densitas Elektrolit 1300 kgm -3
listrik. Pada umumnya, panas dan temperatur adalah properti penting  dalam  mendesain  baterai  agar  efisien  dan  dapat beroperasi dengan aman [3].
Stabilitas dari elektrolit dipengaruhi oleh temperatur. Pada beberapa  jenis  elektrolit  presipitasi  dapat  terjadi  ketika temperatur lebih tinggi  dari 40 o C dalam jangka waktu yang lama.  Demikian  pula  presipitasi  dapat  terjadi  ketika temperatur  menurun  di  bawah  5 o C.  Presipitasi  dapat memblokir saluran elektrolit  dan membuat performa baterai menjadi buruk. Di samping itu, temperatur tinggi juga dapat merusak  membrane  perflourinasi,  dan  mempercepat  korosi pada  plat  elektroda.  Oleh  karena  itu,  temperatur  sel  baterai harus  dikendalikan  dalam  rentang  temperatur  5 o C  sampai dengan 40 o C. Temperatur elektrolit pada VRFB dipengaruhi oleh berbagai kondisi operasi, seperti temperatur lingkungan, arus  pengisian  daya/pemakaian  daya,  dan  kecepatan  aliran elektrolit.  Oleh  karena  itu,  terdapat  potensi  peningkatan temperatur  elektrolit  di  ambang  batas  temperatur  optimal pengoperasian [4].
Apabila  temperatur  dari  elektrolit  meningkat  maka temperatur  dari  sel  baterai  juga  dapat  meningkat.  Kenaikan temperatur  di  ambang  batas  dapat  menyebabkan penurunan performa baterai, sehingga diperlukan komponen perpindahan  panas  untuk  mengontrol  peningkatan  dari temperatur  elektrolit. Shell  and  tube adalah  salah  satu  jenis penukar  kalor  yang  sering  digunakan  pada  sistem pembangkit. Shell  and  tube memiliki  beberapa  keutamaan, diantaranya  penggunaan  material  dan  bahan  yang  dapat divariasikan, perawatan yang relatif lebih mudah
dibandingkan  plat  pendingin, thermal  stress yang  dapat ditekan, konstruksi sederhana dan kokoh, tidak memerlukan tempat  instalasi  yang  luas  dan  biaya  yang  digunakan  lebih rendah dibandingkan jenis penukar panas lainnya [5].
Berdasarkan  uraian  Gambar  3,  akan  dilakukan  penelitian terkait analisis rancangan penukar panas tipe shell and tube yang  dapat  digunakan  untuk  mendinginkan  elektrolit  pada VRFB  agar  dapat  beroperasi  dalam  rentang  temperatur operasi  yang  optimal  serta  analisis  temperaturnya  dengan menggunakan software HTRI Exchanger Suite dan ANSYS Fluent.
Secara umum penelitian ini bertujuan untuk menganalisis perancangan sistem pendinginan pada baterai VRFB. Tujuan spesifik  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  merancang  alat penukar kalor tipe shell and tube yang dapat digunakan dalam sistem pendinginan baterai VRFB.
Kemudian,  menganalisis  perpindahan  panas,  distribusi temperatur,  dan  tekanan  yang  terjadi  pada shell  and  tube tersebut.  Selanjutnya,  mengetahui  bagaimana  laju  aliran massa  fluida  dan  temperatur  inlet  mempengaruhi  proses pendinginan  elektrolit  pada  baterai  VRFB.  Sehingga,  dapat diperoleh  informasi  yang  berguna  untuk  meningkatkan efisiensi dan kinerja sistem pendinginan baterai VRFB.

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Spesifikasi
Pada  penelitian  ini  menggunakan  VRFB  dengan spesifikasi dari manufaktur yang ditunjukkan Tabel 1.
Gambar 2. Konfigurasi VRFB dengan shell and tube heat exchanger.
Gambar 3. Sketsa alat penukar kalor shell and tube.
Gambar 1. Diagram alir perhitungan alat penukar kalor shell and tube.

## B. Pemodelan Sistem Pendinginan VRFB
Sistem pendinginan VRFB ditujukan untuk mendinginkan baterai  yang  mengalami  reaksi  dari battery  stack dengan merangkaikan alat penukar kalor shell and tube pada sistem VRFB. Outlet  battery  stack dihubungkan  dengan shell  and tube untuk  mengalirkan  dan  mendinginkan  fluida  panas, yakni elektrolit vanadium dari stack menuju tangki elektrolit pada  sisi  positif  dan  sisi  negatif  baterai,  seperti  pada Gambar 1 dan Gambar 2. Desain dari s hell and tube baterai dan  tangki  dibuat  simetris  dan  seluruh  properti  dari  fluida yang  mengalir  diasumsikan  sama.  Sehingga,  simulasi  yang dilakukan hanya pada salah satu sisi.

## C. Perhitungan Alat Penukar Kalor Shell and Tube
Perhitungan dilakukan dengan metode Kern (1965) sesuai dengan diagram alir pada Gambar 3. Dengan data awal pada Tabel 2 dan Tabel 3 [6].
Perhitungan Heat Duty,
𝑄 = 𝑚 ℎ . 𝑐 𝑝ℎ . (𝑇 ℎ,𝑖 − 𝑇 ℎ,𝑜 ) 1 𝑄 = (0,052). (3200). (333,15 − 308,15) 2 𝑄 = 10400 𝑊 3
Perhitungan temperatur outlet air,
𝑇 𝑐,𝑜 = 𝑄 𝑚 𝑐 .𝑐 𝑝𝑐 + 𝑇 𝑐,𝑖 4 𝑇 𝑐,𝑜 = 10400 (0,25).(4,18) + 298,15
𝑇 𝑐,𝑜 = 308,10𝐾 6
Perhitungan Logarithmic  Mean  Temperature  Difference (LMTD),
𝐿𝑀𝑇𝐷 = (𝑇 ℎ,𝑖 −𝑇 𝑐,𝑜 )−(𝑇 ℎ,𝑜 −𝑇 𝑐,𝑖 ) 𝑙𝑛( (𝑇ℎ,𝑖−𝑇𝑐,𝑜) (𝑇ℎ,𝑜−𝑇𝑐,𝑖) ) 7
𝐿𝑀𝑇𝐷 = (333,15−302,93)−(303,15−298,15)
𝑙𝑛( (333,15−302,93) (303,15−298,15) ) 8 𝐿𝑀𝑇𝐷 = 16,39 𝐾 9 𝐹 𝑇 = 0,98 10 ∆𝑡 = 𝐿𝑀𝑇𝐷 × 𝐹 𝑇 11 ∆𝑡 = 14,02  × 0,8090 12 ∆𝑡 = 16,2 𝐾 13 Perhitungan luas permukaan perpindahan panas, 𝐴 = 𝑄 𝑈∙∆𝑡𝐿𝑀𝑇𝐷 14 𝐴 = 10400 120∙16,2 15 𝐴 = 5,35 𝑚 2 16
Perhitungan luas permukaan shell ,
𝑎 𝑠 = 𝐼𝐷 𝑠 ×𝐶′×𝐵 𝑃 𝑇 17
𝑎 𝑠 = 0,203×0,038×0,0508 0,032 18 𝑎 𝑠 = 0,002062 𝑚 2 19
Perhitungan luas permukaan tube ,
Tabel 3. Parameter Awal Perhitungan Parameter Notasi Nilai Laju aliran massa elektrolit 𝑚̇ ℎ 0,13 kgs -1 Temperatur masuk elektrolit 𝑇 ℎ,𝑖 333,15 K Temperatur keluar elektrolit 𝑇 ℎ,𝑜 308,15 K Densitas elektrolit 𝜌 1300 kg m -3 Viskositas dinamis elektrolit 𝜇 0,004298 Pa s Panas jenis elektrolit 𝑐 𝑝 3,2 kj kg -1 K -1 Konduktivitas termal Elektrolit 𝑘 0,67 W m -1 K -1 Temperatur masuk air 𝑚 𝑐 ̇ 0,25 kg s -1 Laju aliran massa air 𝑇 𝑐,𝑖 298,15 K Densitas air 𝜌 997 kg m -3 Viskositas dinamis air 𝜇 0,00089 Pa s Panas jenis air 𝑐 𝑝 4,18 kj kg -1 K -1 Konduktivitas termal Air 𝑘 0,56 W m -1 K -1
Tabel 4.
Parameter Geometri Shell and Tube Parameter Notasi Nilai Tube pitch Pt 0,032 m Clearance C' 0,038 m Panjang Tube L 0,762 m Jumlah pass shell N 1 Birmingham Wire Gauge BWG 18 Diameter luar tube Do 0,0254 m Diameter dalam tube Di 0,02291 m Jumlah pass tube n 2 Diameter dalam shell Ds 0,203 m Baffle spacing B 0,0508 m Overall  heat  transfer Coefficient asumsi U assumsi 120 W m 2 K Tabel 2. Error Perhitungan Htri dan Perhitungan Manual Parameter Notasi Nilai Error HTRI Perhitungan Manual Effectiveness- NTU Method EMTD 16,2 K 16,2 K 0,00% Heat Duty Q 10400 W 10400 W 0,00% Effective Area A effective 5,295 m 2 5,35 m 2 1,03% Heat Transfer Coefficient U actual 147,78 W m - 2 K -1 145,69 W m - 2 K -1 1,43%
Gambar 4. Desain shell and tube HTRI exchanger suite.
𝑎 𝑡 = 𝑁 𝑇 ×𝑎 𝑡 ′ 𝑁 𝑃 20 𝑎 𝑡 = 19× 𝜋(0,02291)2 4 2
21 𝑎 𝑡 = 0,007832 𝑚 2 22
Perhitungan Overall  heat  transfer  coefficient  shell  side calculation ,
𝐺 𝑠 = 𝑚 𝑠 𝑎 𝑠
23
𝐺 𝑠 = 0,13 0,002062
24
𝐺 𝑠 = 121,2133 𝑘𝑔 𝑚 2 𝑠 25
𝐷 𝑒 = 1,10 𝐷 𝑜 (𝑃 𝑡 2 − 0,917𝐷 𝑜 2 ) 26 𝐷 𝑒 = 1,10 0,0254 (0,032 2 − 0,917(0,0254) 2 ) 27 𝐷 𝑒 = 0,0217 𝑚 28
𝑅𝑒 𝑠 = 𝐺 𝑠 𝐷 𝑒 𝜇 29
𝑅𝑒 𝑠 = (121,2133)(0,0217)
0,004298 30 𝑅𝑒 𝑠 = 2958,61 31 𝑗 𝐻 = 0,00536 32
ℎ 𝑜 = 𝑘 𝑆 𝐷 𝑒 𝑗 𝐻 𝑅𝑒 𝑠 ( 𝜇𝐶 𝑃 𝑘 𝑠 ) 1 3 33
ℎ 𝑜 =
0,67 0,0217 (0,00536)(2958,61) ( (0,004298)(1300) 0,67 ) 1 3 34
ℎ 𝑜 = 915,56 𝑊 𝑚 2 𝐾 35
Perhitungan Overall  heat  transfer  coefficient  shell  side calculation ,
𝐺 𝑡 = 𝑚 𝑡 𝑎 𝑡 36 𝐺 𝑡 = 0,25 0,007832
37
𝐺 𝑡 = 33,1955 𝑘𝑔 𝑚 2 𝑠 38
𝑅𝑒 𝑡 = 𝐺 𝑡 𝐷 𝑖 𝜇 39
𝑅𝑒 𝑠 = (33,1955)(0,02291) 0,00089 40 𝑅𝑒 𝑠 = 118,17 41 𝑗 𝐻 = 0,05762 42
ℎ 𝑖 = 𝑘 𝑆 𝐷 𝑒 𝑗 𝐻 𝑅𝑒 𝑠 ( 𝜇𝐶 𝑃 𝑘 𝑠 ) 1 3 43
ℎ 𝑖 = 0,569 0,02291 (0,05762)(118,17) ( (0,00089)(997) 0,569 ) 1 3 44 ℎ 𝑖 = 196,1 𝑊 𝑚 2 𝐾 45 ℎ 𝑖𝑜 = ℎ 𝑖 × 𝐼𝐷 𝑂𝐷 46 ℎ 𝑖𝑜 = 196,1 × 0,02291 0,0254 47
ℎ 𝑖𝑜 = 176,876 𝑊 𝑚 2 𝐾
Gambar 7. Meshing shell and tube.
a) b) c)
Gambar 8. Kontur temperatur shell and tube dengan laju aliran massa elektrolit vanadium 0,13 kg s -1 ; laju aliran massa air 0,25 kg s -1 ; serta temperatur inlet elektrolit vanadium a) 333,15 K; b) 313,15 K; dan c) 303,15 K.
Gambar  9.  Grafik  perbandingan  temperatur  inlet  terhadap  outlet elektrolit vanadium.
a) b) c)
Gambar  5.  Kontur  temperatur  shell  and  tube  dengan  temperatur  inlet elektrolit vanadium 60 o C; laju aliran massa elektrolit vanadium 0,13 kg s -1 ; serta laju aliran massa air a) 0,25 kg s -1 ; b) 0,5 kg s -1 ; c); dan 0,75 kg s -1 .
Gambar 6. Perbandingan laju aliran massa elektrolit vanadium terhadap temperatur outlet elektrolit vanadium.
Perhitungan Overall heat transfer coefficient actual ,
𝑈 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = ℎ 𝑖𝑜 ×ℎ 𝑜 ℎ 𝑖𝑜 +ℎ 𝑜
49
𝑈 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 176,87×915,56 176,876+915,56 50
𝑈 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 145,6903 𝑊 𝑚 2 𝐾 51
Perhitungan Over Design , 𝑂𝑣𝑒𝑟 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 = 145,6903−120 120 52 𝑂𝑣𝑒𝑟 𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 = 21,41% 53
Kemudian,  parameter  yang  sama  digunakan  untuk perhitungan menggunakan software HTRI  Exchanger Suite, sehingga  didapatkan  data  perbandingan  antara  perhitungan manual dan software HTRI Exchanger Suite pada Tabel 4. Berdasarkan nilai pada Tabel 4 dapat disimpulkan bahwa perhitungan  HTRI  sudah  mendekati  perhitungan  manual dengan nilai galat paling tinggi, yakni 1,43% yang berada di bawah  5%.  Oleh  karena  itu,  perhitungan  HTRI  dan  manual dapat dikatakan valid. Sehingga desain dari HTRI Exchanger Suite  dapat  digunakan  sebagai  desain  yang  akan disimulasikan (Gambar 4).
Berikutnya  pada  Gambar  5  desain shell  and  tube disimulasikan  dengan  variasi  temperatur  inlet,  laju  aliran massa elektrolit vanadium, dan laju aliran massa air. Simulasi menggunakan software ANSYS  Fluent  untuk  mengetahui kontur  temperatur  dan  distribusi  temperaturnya.  Dengan tahapan meshing,  setup  fluent, penentuan boundary condition ,  tahap  perhitungan  atau solution , initialization, calculation, dan  validasi  dengan grid  independence  test . Mesh yang digunakan memiliki jumlah cell 1893019 seperti pada Gambar 5.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Analisis Pengaruh Temperatur Inlet Elektrolit Vanadium terhadap Temperatur Outlet Elektrolit Vanadium
Gambar  6  menunjukkan  kontur  temperatur  pada  alat penukar  kalor shell  and  tube dengan  laju  aliran  massa elektrolit  vanadium  0,13  kg  s -1 dan  laju  aliran  massa  air 0,25  kg  s -1 .  Variasi  temperatur  inlet  elektrolit  vanadium adalah 333,15 K, 313,15 K, dan 303,15 K (Tabel 5). Kontur
temperatur  menunjukkan  penurunan  temperatur  elektrolit vanadium  menuju  outlet tube ,  sementara  temperatur  inlet yang lebih tinggi menghasilkan temperatur outlet yang lebih tinggi juga. Perpindahan panas secara konveksi terjadi antara sisi shell dan tube sesuai dengan kesetimbangan energi.
Pada  Gambar  6,  temperatur  inlet  elektrolit  vanadium 333,15  K  memiliki  rentang  warna  merah-hijau  pada tube , sementara  temperatur  inlet  lebih  rendah,  seperti  pada 313,15  K  dan  303,15  K,  menghasilkan  warna  kontur  biru pada sisi tube. Sisi shell menunjukkan gradasi warna dari biru ke  hijau  menuju  outlet,  menandakan  perpindahan  panas konvektif. Namun, pada temperatur inlet elektrolit vanadium 303,15 K, warna kontur tube tidak berubah signifikan karena mendekati  temperatur  inlet  air  pada  sisi shell .  Alat  penukar kalor tidak dapat mendinginkan elektrolit vanadium di bawah suhu  air  (298,15  K  atau  25°C)  karena  LMTD  tidak  dapat didefinisikan.
Data kuantitatif pada Tabel 5 dan Gambar 7 menunjukkan bahwa  temperatur  outlet  elektrolit  vanadium  meningkat seiring  peningkatan  temperatur  inlet  vanadium.  Pada temperatur  inlet  elektrolit  vanadium  333,15  K,  temperatur tertinggi  mencapai  310,39  K  atau  37,24°C.  Meskipun demikian,  angka  ini  tetap  berada  di  bawah  suhu  presipitasi elektrolit (313,15 K atau 40°C) dan suhu operasi maksimum (333,15 K atau 60°C). Alat penukar kalor shell and tube dapat mengontrol  temperatur  elektrolit  vanadium  di  bawah  suhu presipitasi, memastikan operasional yang efektif.

## B. Analisis  Pengaruh  Laju  Aliran  Massa  Air  terhadap Temperatur Outlet Elektrolit Vanadium
Gambar  8  menunjukkan  kontur  temperatur  pada  alat penukar  kalor shell  and  tube dengan  data  input  temperatur inlet elektrolit vanadium 60°C, laju aliran massa air 0,25 kg
Tabel 5.
Data Perbandingan Temperatur Inlet dan Outlet Elektrolit Vanadium
Laju Aliran
Massa Elektrolit Vanadium ( 𝑚̇ ℎ ) Laju Aliran Massa Air (𝑚̇ 𝑐 )
Temperatur Inlet Elektrolit
Vanadium (T h,i ) Temperatur Outlet
Elektrolit Vanadium (T h,o) 0,13 kg s -1 0,25 kg s -1 303,15 K 299,8987 K 0,13 kg s -1 0,25 kg s -1 313,15 K 303,4272 K 0,13 kg s -1 0,25 kg s -1 333,15 K 310,3932 K Tabel 6.
Perbandingan Laju Aliran Massa Air dengan Temperatur Outlet
Elektrolit Vanadium
Laju Aliran Massa Elektrolit
Vanadium
( 𝑚̇ ℎ )
Laju Aliran Massa Air (𝑚̇ 𝑐 )
Temperatur Inlet
Elektrolit Vanadium (T h,i ) Temperatur Outlet
Elektrolit Vanadium (T h,o) 0,13 kg s -1 0,25 kg s -1 303,15 K 299,8987 K 0,13 kg s -1 0,25 kg s -1 313,15 K 303,4272 K 0,13 kg s -1 0,25 kg s -1 333,15 K 310,3932 K
Tabel 7.
Pressure Drop
Variasi Pressure Drop Shell
(kPa) Pressure Drop Tube (kPa) 1 1,8800 0,0620 2 1,5730 0,2480 3 1,2580 0,3650 4 1,2580 0,5380 5 6,0860 0,0520 6 4,8690 0,1980 7 4,8700 0,3650 8 3,6520 0,4370 9 13,4500 0,0520 10 10,7600 0,1980 11 8,0710 0,2740 12 8,0710 0,4370 Tabel 8 . Over Design
Variasi Laju  Aliran  Massa Elektrolit Vanadium (kg s -1 ) Laju Aliran Massa Air (kg s -1 ) Over Design 1 0,052 0,25 17,13% 2 0,13 0,25 21,98% 3 0,182 0,25 6,47% 4 0,234 0,25 14,23% 5 0,052 0,5 13,55% 6 0,13 0,5 14,82% 7 0,182 0,5 26,56% 8 0,234 0,5 1,86% 9 0,052 0,75 19,77% 10 0,13 0,75 21,88% 11 0,182 0,75 0,73% 12 0,234 0,75 8,80%
s -1 , dan variasi laju aliran massa elektrolit vanadium 0,052 kg s -1 ,  0,13  kg  s -1 ,  0,182  kg  s -1 ,  dan  0,234  kg  s -1 .  Pada tube , gradasi  warna  dari  merah  ke  biru  terlihat  saat  laju  aliran massa elektrolit  vanadium 0,052  kg  s -1 . Semakin tinggi  laju aliran  massa  elektrolit  vanadium,  warna  gradasi  temperatur semakin mendekati kuning karena temperatur outlet elektrolit vanadium  yang  lebih  tinggi.  Pada  sisi shell ,  gradasi  warna dari  biru  ke  hijau  kekuningan  terlihat  karena  perpindahan panas  dari tube ke shell .  Semakin  tinggi  laju  aliran  massa elektrolit vanadium, warna kontur temperatur outlet sisi shell semakin mendekati kuning, menunjukkan bahwa temperatur outlet air juga semakin tinggi.
Data perbandingan laju aliran massa air dengan temperatur outlet  elektrolit  vanadium  pada  Tabel  6  dan  Gambar  9 menunjukkan  bahwa  semakin  tinggi  laju  aliran  massa  air, temperatur  outlet  elektrolit  vanadium  semakin  rendah.
Temperatur tertinggi tercapai pada laju aliran massa elektrolit vanadium  0,234  kg  s -1 dan  laju  aliran  massa  air 0,25  kg  s -1 , sementara temperatur terendah terjadi pada laju aliran massa elektrolit vanadium 0,052 kg s -1 dan laju aliran massa air 0,75 kg s -1 . Grafik dari data Gambar 9 membentuk garis persamaan hiperbolik.
Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  pada  laju  aliran massa elektrolit vanadium 0,234 kg s -1 dan laju aliran massa air 0,25 kg s -1 , temperatur outlet elektrolit vanadium berada di  atas  batas  presipitasi.  Namun,  pada  laju  aliran  massa elektrolit vanadium 0,182 kg s -1 dan laju aliran massa air 0,25 kg  s -1 ,  temperatur  elektrolit  vanadium  mendekati  batas presipitasi. Selain itu, laju aliran massa air 0,25 kg s -1 hingga 0,75 kg s - 1 memiliki temperatur yang aman untuk laju aliran massa 0,182 kg s -1 , 0,13 kg s -1 , dan 0,052 kg s -1 karena tidak melebihi  batas  temperatur  presipitasi  dan  operasi.  Namun, pada laju aliran massa 0,234 kg s -1 pada laju aliran massa air 0,25 kg s -1 , telah melewati batas presipitasi.
Temuan  ini  sejalan  dengan  penelitian  Wei  et  al.  (2014),
Gambar  13.  Regresi  non-linear  laju  aliran  massa  air  pada  laju  aliran massa elektrolit vanadium 0,234 kg s -1 .
a)
b)
c)
d)
Gambar 14. Kontur temperatur shell and tube dengan temperatur inlet elektrolit  vanadium  60 o C;  laju  aliran  massa  air  0,25  kg  s -1 ; serta  laju aliran massa elektrolit vanadium a) 0,052 kg s -1 ; b) 0,13 kg s -1 ; c) 0,182 kg s -1 ; dan d) 0,234 kg s -1 .
Gambar  15.  Perbandingan  laju  aliran  massa  elektrolit  vanadium terhadap temperatur outlet elektrolit vanadium.
Gambar  10.  Regresi  non-linear  laju  aliran  massa  elektrolit  vanadium pada laju aliran massa air 0,25 kg s 1 .
Gambar 11. Grafik over design.
Gambar 12. Pressure drop.
yang mana kenaikan laju aliran dari 250 cm 3 s -1 hingga 1250 cm 3 s -1 dari fluida dingin menyebabkan penurunan temperatur elektrolit  vanadium  karena  peningkatan heat  transfer coefficient yang berbanding lurus dengan nilai mass velocity dan  bilangan  Reynold  dari  fluida.  Dengan  demikian, pemahaman mengenai hubungan antara laju aliran massa air dan  elektrolit  vanadium  dalam  alat  penukar  kalor shell  and tube penting untuk mengoptimalkan proses pendinginan dan memastikan operasional yang aman dan efektif [7].
Dengan  menggunakan  pendekatan  dengan trendline polynomial least order secara grafik, batas laju aliran massa air  yang  aman  pada  laju  aliran  massa  0,234  kg  s -1 dapat ditentukan  seperti  pada  Gambar  10,  yang  mana  nilai temperatur  313,15  K  dicapai  ketika  laju  aliran  massa  air sebesar  0,35  kg  s -1 .  Pendekatan  linear  digunakan  karena persamaan  kesetimbangan  energi  membentuk  regresi  non- linear. Sehingga, pada penggunaan VRFB dengan laju aliran massa  sebesar  0,234  kg  s -1 diperlukan  laju  aliran  massa  air setidaknya 0,35 kg s -1 .
C. Analisis Pengaruh Aliran Massa Elektrolit Vanadium terhadap Temperatur Outlet Elektrolit Vanadium
Gambar  11  merupakan  kontur  temperatur  pada  alat penukar kalor shell and tube yang diambil dengan data input temperatur inlet  elektrolit  vanadium  60 o C, laju aliran massa air  0,25  kg  s -1 ,  serta  variasi  laju  aliran  massa  elektrolit vanadium  0,052  kg  s -1 ;  0,13  kg  s -1 ;  0,182  kg  s -1 ;  dan 0,234  kg  s -1 .  Kontur  temperatur  pada tube menunjukkan warna  gradasi  merah  ke  biru  pada  variasi  laju  aliran  massa elektrolit vanadium 0,052 kg s -1 . Kemudian, apabila diamati semakin  meningkat  laju  aliran  massa  elektrolit  vanadium maka warna gradasi  temperatur semakin mendekati kuning. Hal  tersebut  disebabkan  karena  temperatur  outlet  elektrolit vanadium semakin tinggi. Pada sisi shell gradasi terlihat dari biru  ke  hijau  kekuningan  karena  terjadi  perpindahan  panas dari  sisi tube ke shell .  Semakin  tinggi  laju  aliran  massa elektrolit vanadium maka warna dari kontur temperatur outlet sisi shell semakin  mendekati  kuning.  Hal  tersebut menjelaskan  bahwa  semakin  tinggi  laju  aliran  massa elektrolit  vanadium,  maka  semakin  tinggi  pula  temperatur outlet dari air.
Peningkatan  laju  aliran  massa  fluida  panas,  seperti elektrolit  vanadium,  menyebabkan  peningkatan  temperatur outlet  karena lebih banyak energi panas ditransfer ke fluida tersebut dalam waktu yang lebih singkat. Kontak yang lebih singkat  antara  fluida  panas  dan  pendingin  juga  dapat meningkatkan  perbedaan  temperatur  antara  keduanya, meningkatkan efisiensi pertukaran panas, dan menyebabkan suhu keluaran fluida panas lebih tinggi. Hal ini sesuai dengan prinsip pertukaran panas dan sifat termal sistem. Kemudian, dengan  data  pada  Tabel  6,  nilai  laju  aliran  massa  elektrolit vanadium  terhadap  temperatur  outlet  elektrolit  vanadium diplot  pada  koordinat  kartesius  dengan  garis  berdasarkan variasi laju aliran massa air seperti pada Gambar 12.
Jika  diamati  keempat  garis  tersebut  terjadi  peningkatan temperatur  outlet  elektrolit  vanadium  dengan  grafik  yang membentuk  garis  persamaan  hiperbolik.  Berdasarkan Gambar  12  garis  tertinggi  hingga  terendah  secara  berturut- turut,  yaitu  0,25  kg  s -1 ;  0,5  kg  s -1 ;  dan  0,75  kg  s -1 .  Adapun pada laju aliran massa air 0,25 kg s -1 dengan laju aliran massa elektrolit vanadium 0,234 kg s -1 ; nilai dari temperatur outlet
elektrolit  vanadium  melebih  batas  presipitasi  elektrolit vanadium. Laju aliran massa elektrolit vanadium 0,052  kg  s -1 hingga  0,234  kg  s -1 memiliki  temperatur  yang aman  untuk  laju  aliran  massa  air  0,5  kg  s -1 dan  0,75  kg  s -1 karena  tidak  melebihi  batas  temperatur  presipitasi  dan  juga batas temperatur operasi. Sedangkan, untuk laju aliran massa 0,25  kg  s -1 pada  laju  aliran  massa  air  0,234  kg  s -1 telah melewati batas presipitasi.
Dengan  menggunakan  pendekatan  dengan trendline polynomial least order secara grafik, batas laju aliran massa vanadium  yang  aman  pada  laju  aliran  massa  air 0,25  kg  s -1 dapat  ditentukan  seperti  pada  Gambar  13,  yang  mana  nilai temperatur  313,15  K  dicapai  ketika  laju  aliran  massa  air sebesar  0,2  kg  s -1 .  Pendekatan polynomial  least  order digunakan karena persamaan kesetimbangan energi membentuk  regresi  non-linear.  Sehingga,  pada  penggunaan alat penukar kalor shell and tube dengan laju aliran massa air sebesar  0,25  kg  s -1 diperlukan  pengaturan  laju  aliran  massa elektrolit vanadium pada VRFB di bawah 0,2 kg s -1 .

## D. Analisis Over Design
Over design adalah kondisi di mana sistem, perangkat, atau komponen  dirancang  dengan  spesifikasi  yang  melampaui kebutuhan  sebenarnya.  Model  atau  kapasitas  yang  dipilih lebih besar dari yang diperlukan untuk mencapai tujuan atau kegiatan  yang  diinginkan.  Dalam  perancangan  sistem pendinginan shell and tube pada sistem VRFB, terdapat over design dengan pertimbangan, yang mana terdapat variasi laju aliran massa elektrolit vanadium pada kondisi operasi VRFB. Oleh  karena  itu,  dalam  perancangan  sistem  pendinginan dibutuhkan  penyesuaian  pada  laju  aliran  massa  air  untuk mencapai  target  temperatur  outlet  dari  elektrolit  vanadium dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi. Adapun data  over  design  dapat  diperoleh  menggunakan  HTRI Exchanger Suite seperti pada Tabel 7.
Berdasarkan Gambar 14 nilai over design terkecil ada pada variasi  ke  11  dengan  laju  aliran  massa  elektrolit  vanadium sebesar  0,182  kg  s -1 dan  laju  aliran  massa  air 0,75 kg s -1 . Nilai over design terbesar ada pada variasi ke 7 dengan laju aliran massa elektrolit vanadium 0,182 kg s -1 dan laju aliran massa air 0,5 kg s -1 . Kemudian, jika mengacu pada toleransi  perancangan shell  and  tube pada  umumnya  nilai over  design diharapkan  berada  di  bawah  30%.  Pada  grafik terlihat  bahwa  seluruh  variasi  nilai over  design berada  di bawah  30%  sehingga design  shell  and  tube bisa  dikatakan sesuai dengan kondisi operasi VRFB.

## E. Analisis  Pressure  Drop  Alat  Penukar  Kalor  Shell  and Tube
Berdasarkan  simulasi  yang  dilakukan,  perubahan  laju aliran  massa  elektrolit  vanadium  dan  juga  perubahan  laju aliran  massa  air  mengakibatkan  terjadinya  perubahan  pada pressure drop. Dalam perancangan shell and tube , pressure drop menjadi  parameter  penting  karena  mempengaruhi efisiensi dari sistem. Dengan pressure drop yang tinggi maka mengharuskan  pompa  untuk  berkerja  lebih  keras  dan membutuhkan energi lebih. Berdasarkan simulasi menggunakan  HTRI  Exchanger  Suite  didapatkan  data pressure drop sebagai berikut.
Berdasarkan  data  pada  Tabel  8  dan  Gambar  15  dapat dilihat bahwa pressure drop pada shell and tube tidak terlalu tinggi yakni berada di rentang 1,258 kPa hingga 13,45 kPa di
sisi shell dan 0,052 kPa hingga 0,5380 kPa di sisi tube . Jika dilihat  hubungan  antara  laju  aliran  massa  fluida.  Semakin tinggi  laju aliran massa, maka semakin tinggi pula pressure drop yang terjadi, baik  pada shell, maupun pada tube . Data tersebut  sesuai  dengan  penelitian,  yakni  laju  aliran  massa fluida dingin dan fluida panas mempengaruhi pressure drop secara signifikan [7]. Hal ini disebabkan semakin tinggi laju aliran  massa,  maka  akan  meningkat  pula Reynold  Number dan  juga mass  velocity dari  fluida  pada shell  and  tube, sehingga  fluida  semakin  turbulen.  Di  mana, pressure  drop berbanding  lurus  dengan mass  velocity dan  juga  faktor gesekan  yang  merupakan  fungsi  dari Reynold  Number . Apabila  diamati,  seluruh  data  tersebut  berada  di  bawah pressure  drop  allowance ,  yakni  50,662  kPa;  sehingga, pressure drop bisa dikatakan aman.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan  didapatkan kesimpulan  sebagai  berikut:  (1) Shell  and  tube yang digunakan  adalah  tipe  1-2  pass  dengan counter  flow dan standardisasi TEMA tipe CEP. Digunakan untuk pendinginan baterai  VRFB dengan laju aliran massa elektrolit  vanadium yang optimal pada rentang 0,052 kg s -1 hingga 0,2 kg s -1 dan laju  aliran  massa  air  yang  optimal  pada  0,35  kg  s -1 hingga 0,75  kg  s -1 serta over  design optimal,  pada  5,19%;  14,56%; dan 16,73%. (2) Kontur temperatur menunjukkan penurunan temperatur  ketika  terjadi  peningkatan  laju  aliran  massa  air
dan  peningkatan  temperatur  ketika  terjadi  peningkatan  laju aliran  massa  elektrolit  vanadium.  (3)  Temperatur  inlet  dan outlet  elektrolit  vanadium  berhubungan  linear,  rentang pendinginan adalah 30 o C hingga 60 o C. (4)  Peningkatan laju aliran massa dapat meningkatkan pressure drop , dengan nilai tertinggi pada sisi shell 5,315 kPa dan terendah pada sisi tube 0,0063 kPa.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  A.  Sugiyono,  “Outlook  Energi  Indonesia  2015-2035:  Prospek Energi Baru Terbarukan,” J Energi Dan Lingkung , vol. 12, pp. 87–96, 2016.
[2]  Pemerintah RI, “Peraturan Presiden Republik Indonesia No. 112 Tahun 2022  Tentang  Percepatan  Pengembangan  Energi  Terbarukan  untuk Penyediaan Tenaga Listrik.” Badan Pemeriksaan Keuangan, Jakarta, p. 30, 2022. [Online]. Available: jdih.setneg.go.id
[3]  M. Messaggi et al. , “Analysis of flow field design on vanadium redox flow  battery  performance:  Development  of  3D  computational  fluid dynamic model and experimental validation,” Appl. Energy , vol. 228, pp. 1057–1070, 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2018.06.148.
[4]  H.  Shen,  X.  Zhu,  H.  Cao,  and  B.  Xue,  “Thermal  Modeling  and Temperature  Control  of  an  All-Vanadium  Redox  Flow  Battery,”  in 12th Asian Control Conference (ASCC) , 2019, pp. 1536–1541.
[5]  M. S. Atikayanti, S. F. Nur, B. Santoso, and A. Ekayuliana, “Analisis Perbandingan Heat Exchanger Tipe Plate-Frame dan Shell And Tube pada Intercooler,” in Seminar Nasional Teknik Mesin , 2018, pp. 335– 345.
[6]  F. P. Incropera, D. P. DeWitt, T. L. Bergman, A. S. Lavine, and others, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , 7th ed., vol. 6. New York: Wiley, 1996, ISSN: 0470501979.
[7]  Z. Wei, J. Zhao, and B. Xiong, “Dynamic electro-thermal modeling of all-vanadium redox flow battery with forced cooling strategies,” Appl. Energy , vol. 135, pp. 1–10, 2014, doi: 10.1016/j.apenergy.2014.08.062.