## OPTIMALISASI LUBE OIL COOLER TIPE FIN & TUBE HEAT EXCHANGER
PADA PROSES PELUMASAN MENGGUNAKAN METODE NTU ( NUMBER TRANSFER OF UNIT )
Kurniawan 1 , Agus Budihadi 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jakarta
E-mail: kurniawan9519@gmail.com
Abstrak-- Lube  oil  cooler  merupakan  salah  satu  peralatan  pada  sistem  pelumasan  PLTGU.  Lube  oil cooler  berfungsi  menjaga  temperatur  oli  pelumas  pada  temperatur  normal.  Pada  PLTGU  terjadi temperatur  keluaran  dari  Heat  Exchanger  sebesar  47˚C,  sedangkan  temperatur  yang  dianjurkannya lebih  rendah  yaitu  ±40˚C,  terjadi  selisih  temperatur  dengan  keadaan  aktual  di  lapangan  sebesar 7˚C.Temperatur  di  jaga  pada  temperatur  normal  agar  mencegah  kerusakan  pada  bearing  dan overheat  pada  turbin.  Jika  temperatur  melewati  batas  yang  dianjurkan  akan  mengakibatkan  Turbin Uap mengalami panas berlebih (overheat) sehingga energi akan terbuang menjadi energi panas dan Turbin akan shut down. Untuk menjaga temperatur lube oil dipilih jenis heat exchanger tipe fin & tube dengan  aliran  crossflow.  Rancangan  lube  oil  cooler  di  mulai  dengan  menentukan  parameter  awal rancangan untuk fluida pendingin dan oli pelumas seperti temperatur, panas spesifik, laju alir massa, viskositas,  densitas,  konduktivitas  termal.  Selanjutnya  dilakukan  perhitungan  menggunakan persamaan-persamaan umum dan sesuai standar, simulasi menggunakan software Aspen Hysys V11 dan  melakukan  analisa  terhadap  hasil  rancangan.  Dari  perhitungan  di  dapatkan  dimensi  lube  oil cooler dengan diameter luar 0,038 m, diameter dalam 0,035 m, 18 BWG, panjang pipa 4,49 m, jumlah baris pipa 161 buah, jumlah pipa per baris 13 buah dengan bentuk triangular dan jumlah sirip 2 buah. Standar  dari  perancangan  lube  oil  cooler  adalah  nilai  penurunan  tekanan ≤  0,68  bar,  di  mana  nilai penurunan  tekanan  pada  sisi  duct  0,075  bar  dan  sisi  tube  0,574  bar.  Untuk  simulasi  menggunakan software  Aspen  Hysys  V11  tidak  terjadi  eror  pada  perancangan  dibuktikan  dengan  aliran  material yang berwarna biru dan aliran energi yang berwarna merah. Serta efektivitas yang di hasilkan sebesar 74,9 %.
Kata kunci: Lube oil cooler, sistem pelumasan , fin & tube, Aspen Hysys V11, Heat Exchanger
Abstract-- The lube oil cooler is one of the tools in the PLTGU lubrication system. The lube oil cooler functions to keep the lubricating oil temperature in the turbine at a normal temperature, namely ± 40 C. The  temperature  is  maintained  at  normal  temperatures  to  prevent  damage  to  the  bearings  and overheating of the turbine. An overheated turbine will waste energy into heat energi. To maintain the temperature  of  the  lube  oil,  a  fin  &  tube  type  heat  exchanger  with  crossflow  flow  was  chosen.  The design  of  the  lube  oil  cooler  begins  by  determining  the  initial  design  parameters  for  the  cooling  fluid and  lubricating  oil such as  temperature, specific heat, mass flow rate, viscosity,  density,  and thermal conductivity.  Furthermore,  calculations  are  carried  out  using  general  equations  and  according  to standards,  simulation  using  Aspen  Hysys  V11  software  and  analyzing  the  design  results.  From calculaion  we  get  dimentions  of  the  lube  oil  cooler  with  an  outside  diameter  0,038  m,  an  inside diameter of 0,035  m,  18  BWG, a pipe length of 4,49  m, a number of 161 pipes, a number pipes per line  13  pieces  with triangular  shape  and  the  number  of pipes  per  row  fins  2  pieces.  The  standard  of lube oil cooler design is the value of pressure drop ≤ 0,68 bar, where the value of pressure drop on the duct  side  is  0,0075  bar  and  the  tube  side  is  0.574  bar . For  the  simulation  using  aspen  hysys  V11, there  is  no  error  in  the  design  as  evidenced  by  the  blue  material  flow  and  red  energi  flow.  And  the resulting effectiveness is 74.9 %.
Keywords: Lube oil cooler, lubrication system, fin & tube, aspen hysys V11, Heat Exchanger

## 1. PENDAHULUAN
Kebutuhan  tenaga  listrik  semakin  meningkat setiap  tahunnya,  menurut  penuturan  Direktur Jenderal  Kementerian  Energi  dan  Sumber  Daya Mineral Rida Mulyana, konsumsi energi listrik per kapita nasional berada  di level  1.089 kWh/kapita pada  tahun  2020,  jumlah  ini  setara  95  %  dari
target yang ditetapkan pemerintah sebesar 1.142 kWh/kapita. Jumlah ini akan bertambah 3,5 % - 4 %  di  tahun  2021  karena  proyeksi  pertumbuhan ekonomi  naik  sebesar  4,5  %.  Untuk  memenuhi kebutuhan listrik masyarakat dibutuhkan pembangkit tenaga listrik. Salah satu pembangkit tenaga  listrik  yang  digunakan  untuk  memenuhi
kebutuhan  energi  listrik  adalah  Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU).
PLTGU  adalah  kombinasi  dari  PLTG  dan PLTU,  uap  kering  yang  di  hasilkan  oleh  HRSG ( Heat  Recovery  Steam  Generator )  pada  PLTG digunakan kembali sebagai fluida untuk operasional  PLTU  lalu  menggerakkan  turbin  dan generator sehingga menghasilkan listrik. Komponen  utama  dari  PLTGU  adalah  turbin. Turbin berfungsi mengubah energi panas berupa uap menjadi energi mekanik yang dapat memutar generator  sehingga  menghasilkan output energi listrik.  Turbin  yang  beroperasi  secara  terus menerus  dalam  waktu  lama  akan  mengalami kehausan dan gesekan.
Untuk  mengurangi  hal  tersebut  terdapat sistem pelumasan pada turbin menggunakan alat penukar  kalor  ( Heat  Exchanger ).  Alat  penukar kalor ( Heat Exchanger ) mengubah atau mendinginkan  temperatur  oli  yang  masih  tinggi menjadi  temperatur  yang  lebih  rendah.  Proses pendinginan  oli  tersebut  dinamakan lube  oil cooler .  Permasalahan  yang  terjadi  adalah temperatur  keluaran Heat  Exchanger adalah 47˚C, sedangkan temperatur yang dianjurkannya lebih  rendah  yaitu  ±40˚C  (PT  Indonesia  Power, 2016), terjadi selisih temperatur dengan keadaan aktual  di  lapangan  sebesar 7˚C.  Jika  temperatur melewati batas yang dianjurkan akan mengakibatkan  Turbin  Uap  mengalami  panas berlebih ( overheat ) sehingga energi akan terbuang  menjadi  energi  panas  dan  Turbin  akan shut down .
Oleh  karena  itu  diperlukan  penelitian terhadap  perancangan lube  oil  cooler  tipe  fin  & tube  heat  exchanger untuk  meningkatkan efektivitas  dengan  cara  menganalisis  performa perpindahan  panas  aktual  dan  efektivitasnya. Perancangan menggunakan metode NTU meliputi  perhitungan  perpindahan  panas,  area perpindahan  panas, heat  transfer  actual , overall heat transfer coefficient serta efektivitas.

## 2. METODOLOGI
Pada  penelitian  ini  menggunakan  metode  kuantitatif dimana  mengharuskan  suhu  perancangan lube  oil cooler  tipe  fin  &  tube ≤  40  ºC  dan  melakukan analisis  perhitungan  dan design. Diagram  alir pada  penelitian  ini  ada  dua  yaitu  diagram  alir penelitian dan diagram alir perhitungan .

## 2.1  Diagram Alir Penelitian
Diagram alir penelitian ini berisi tahapan-tahapan yang  berguna  untuk  mempermudah  mencapai tujuan dan dalam penelitian.
Berikut  langkah-langkah  yang  akan  di  lakukan pada penelitian:
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## 2.2   Diagram Alir Perhitungan Perancangan
Diagram alir perhitungan berisi tahapan perhitungan  perancangan  yang  dimulai  dari perhitungan  neraca  massa  dan  energi  hingga analisa  efektivitas heat  exchanger .  Untuk  lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.

## 2.3   Alat Dan Bahan
Alat dan bahan  berisi  parameter-parameter  yang digunakan  sebagai  acuan  data  perancangan awal.
Tabel 1. Diagram alir perhitungan perancangan
Menurut  KERN  (1950)  selain  efektivitas yang  menentukan  performa  dari  alat  penukar kalor,  hal  lain  yang  harus  diperhatikan  adalah pressure  drop .  Menurut  Thulukkanam  (2013) penentuan pressure  drop dalam  suatu  alat penukar panas sangat penting karena dua alasan yaitu  Biaya  operasi  utama  dari  alat  penukar panas  adalah  biaya  daya  ( power )  untuk menjalankan alat pemindah fluida seperti pompa, fan ,  dll  dan  Tingkat  perpindahan  panas  secara signifikan  dapat  dipengaruhi  oleh  perubahan suhu saturasi untuk cairan yang terkondensasi/teruapkan  dengan pressure  drop yang besar.
a. Penurunan  Tekanan  Pada  Sisi  Duct  ( Lube Oil )
1) Menentukan  Diameter  Ekivalen  Volumetric (D’ ev )
(1)
Net  free volume  dihitung  menggunakan persamaan (2).

## Net Free Volume
(      )
(      )] ( )
(2)
Keterangan:
X = Tinggi duct, [m] Y = Lebar duct, [m] Vs = Volumetric section, [m] Nt
= Jumlah tube per inch
OD’  =  Diameter  terluar  (diameter  luar  pipa ditambah tinggi sirip), [m]
OD = Diameter luar pipa, [m] y = tebal sirip, [m] Sedangkan friction surface dihitung menggunakan persamaan (3) Friction Surface = ( )] (3)
2) Nilai Friction Factor Pada Sisi Duct (f s ) Untuk  menentukan  nilai friction  factor pada  sisi duct terlebih  dahulu  menghitung  nilai  bilangan Reynolds dengan persamaan (3) berikut:
Ré s = D’ ev x G s / µ (3)
Keterangan:
Rés = Bilangan Reynolds untuk penurunan
tekanan
D’ ev = Diameter ekivalen volumetric,
Gs
= Kecepatan massa lube oil , [kg/(hr)(m 2 )] μ =Viskositas l ube oil pada temperatur rata – rata, [kg/(m)(hr)]
3) Nilai Specific Gravity (s) Untuk  menghitung  nilai specific  gravity (s)
menggunakan persamaan (4) berikut. s = (4) Keterangan: S = Specific gravity s = Densitas lube oil , [kg/m 3 ]
w
= Densitas air, [kg/m 3 ]
Densitas lube oil ( s ) dihitung dengan persamaan (5).
(5) Keterangan: Mr = Berat molekul lube oil, [kg] Vol = Volume tetapan = 359, [m 3 ]
Tc =  Temperatur  rata –  rata lube  oil dalam satuan [°F]
4) Penurunan Tekanan Pada sisi duct ( ΔPs)
Untuk  menghitung  nilai  Penurunan  tekanan pada sisi duct ( ΔPs) dengan persamaan (6).
Parameter Jenis Sumber Temperatur Fluida Sekunder DCS ( Distribution Control System ) Laju Alir Fluida Sekunder DCS ( Distribution Control System ) Panas spesifik Fluida Sekunder DCS ( Distribution Control System ) Laju alir massa oli Sekunder Thulukkanam (2013) Tekanan Operasi Sekunder DCS ( Distribution Control System ) Luas Penampang Aliran Sekunder D.Q Kern (1950) Neraca Massa Dan Energi Sekunder D.Q Kern (1950) Kecepatan Aliran Dan Flow Area Sekunder D.Q Kern (1950) ∆T LTMD Sekunder Wuryanti (2010) Efektivitas Sirip Sekunder D.Q Kern (1950) Bilangan Prandtl Sekunder D.Q Kern (1950) Bilangan Reynolds Sekunder D.Q Kern (1950) Bilangan Nusselt Sekunder D.Q Kern (1950) Heat Transferr Coefficient Sekunder D.Q Kern (1950) Overall Heat Transferr Coefficient  Sekunder D.Q Kern (1950) Jumlah Bundle Pipa Sekunder D.Q Kern (1950) Dirt Factor Sekunder D.Q Kern (1950) Pressure Drop Sekunder D.Q Kern (1950)
( ) ( ) (6)
Keterangan:
ΔPs = Penurunan tekanan pada sisi duct, [bar] F = Friction factor lube oil Gs = Kecepatan massa lube oil , [kg/(hr)(m 2 )]
D’ev = Diameter ekivalen volumetric, [m] s = Specific gravity
ST
=  Jarak  antar  titik  pusat  pipa  secara vertical, [m] SL =  Jarak  antar  titik  pusat  pipa  secara transversal, [m]
∅ s
= rasio viskositas lube oil ( ∅ s = 1) Lp = Panjang lintasan lube oil, [ft]
Panjang  lintasan  lube  oil  dihitung  dengan persamaan (7).
Lp = (7) Keterangan: n = Jumlah bundle pipa
= Volumetric section, [m]
Persyaratan  yang  harus  dipenuhi  untuk mendesain heat exchanger adalah tekanan pada sisi duct harus ≤ 10 psi. (Kern, 1950).
b. Penurunan Tekanan Dalam Pipa
Untuk menentukan tekanan dalam pipa menggunakan persamaan (8).
(8) Keterangan: ΔPt = Penurunan tekanan di dalam pipa, [psi] Ft = Friction factor dalam pipa, [ft 2 /in 2 ]
L = Panjang pipa, [m] n = jumlah bundle pipa D = Diameter dalam pipa (ID), [m] Gt = Kecepatan massa sea water,
[lb/(ft 2 )(hr)] ∅ t = Rasio Viskositas di pipa [ ∅ t = 1] s
= specific gravity (s = 1)
Menurut  Frank  P.  Incopera  dan  David  P.  Dewitt (1981) efektivitas suatu heat exchanger didefinisikan sebagai perbandingan antara perpindahan  panas  yang  diharapkan  (nyata) dengan  perpindahan  panas  maksimum  yang mungkin terjadi dalam heat exchanger tersebut.
Perpindahan  panas  yang  di  harapkan ( Lube  oil )  dimana  persamaan  yang  digunakan adalah  Q lube  oil =  Cp lube  oil x  (T c,  o –  T c,  i ). Sedangkan  perpindahan  panas  maksimum  yang mungkin ( cooling water ) ditentukan dari perbandingan  nilai  Cp cooling  water dengan  Cp demin water ,
jika  (Cp) demin  water >  (Cp) lube  oil ,  maka  Q max = (Cp) lube oil (T h, i – T c, i ) dan
jika  (Cp) demin  water <  (Cp) lube  oil ,  maka  Q max = (Cp) demin water (T h, i – T c, i ).
Perpindahan  panas  maksimum  mungkin terjadi bila salah satu fluida mengalami perbedaan  suhu  sebesar  beda  suhu  maksimum yang  terdapat  dalam heat  exchanger tersebut, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida  dingin.  Fluida  yang  mungkin  mengalami perbedaan  suhu  maksimum  ini  ialah  fluida  yang mempunyai  kapasitas  panas  (Cp)  minimum. Sehingga efektivitas heat exchanger yaitu:
(                ) (                ) (9)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  perhitungan  perancangan lube  oil  cooler berdasarkan buku  “ Process  Heat  Transfer ”  D.Q. Kern 1950 didapakan hasil sebagai berikut:
3.1  Diagram Alir Penelitian
Hasil dari spesifikasi perancangan Lube Oil Cooler adalah sebagai berikut:
Tabel 2. Diagram alir perhitungan perancangan Spesifikasi Hasil Perancangan Parameter Nilai Satuan T f Lube Oil 67,77 ⁰ C T f Cooling Water 39 ⁰ C Diameter luar pipa 0,038 m Diameter dalam pipa 0,035 m Panjang pipa per baris 4,49 m Jumlah pipa per baris 13 Buah Jumlah baris 161 Baris Jumlah sirip 2 Sirip Faktor kekotoran 0,006 Pressure drop sisi duct 0,14 Bar Pressure drop sisi tube 0,47 Bar

## 3.2  Analisa Hasil Perancangan
Lube  oil  cooler dirancang  untuk  memenuhu persyaratan  nilai  penurunan  tekanan  ( dirt  factor ) dan  faktor  kekotoran  ( pressure  drop ).  Nilai penurunan tekanan pada fluida demin water (sisi tube ) dan lube oil (sisi duct ) berada pada rentang nilai  ≤  10psi  atau  ≤  0,68bar.  Nilai  penurunan tekanan fluida demin water adalah 0,574 bar atau 6,92  psi.  Sedangkan  nilai  penurunan  tekanan fluida lube oil adalah 0,075 bar atau 2,13 psi. Selain nilai tekanan fluida, hal yang harus di perhatikan  adalah  faktor  kekotoran.  Faktor kekotoran  dari  hasil  perancangan  harus  besar atau sama dengan faktor kekotoran tertentu. Nilai dirt  factor ketentuan  ini  didapatkan  dari  tabel fouling factor ( Kern, 1965 ) yaitu untuk fluida lube oil 0,004  (hr)(ft 2 )(°F)  dan  fluida demin  water sebesar  0,002  (hr)(ft 2 )(°F)  dan  jika  dijumlahkan antara  nilai dirt  factor disisi  fluida  dingin  dan fluida  panas  yaitu  0,006  (hr)(ft 2 )(°F).  Jika  nilai faktor  kekotoran lube  oil  cooler lebih  kecil  dari standar  minimumnya  maka  dapat  dikatakan bahwa hasil rancangan lube oil cooler tidak layak maka  dari  itu  nilai  faktor  kekotoran  harus  lebih besar  dari  standar  minimumnya.  Nilai  faktor kekotoran  yang  terlalu  kecil  akan  menyebabkan laju pengotoran terhadap lube oil cooler semakin besar  sehingga  akan  membutuhkan  perawatan yang  lebih  intens  yang  akan  menyebabkan semakin besarnya biaya perawatan.

## 3.2 Analisa Efektivitas Heat Exchanger
Analisa  efektivitas  dilakukan  untuk  mengetahui kalor  yang  di  serap  dan  di  lepas  oleh heat exchanger .  metode Number  Transfer  of  Unit (NTU).  Menurut  Frank  P.  Incopera  dan  David  P. Dewitt  (1981)  efektivitas  suatu heat  exchanger didefinisikan sebagai perbandingan antara perpindahan  panas  yang  diharapkan  (nyata) dengan  perpindahan  panas  maksimum  yang mungkin terjadi dalam heat exchanger tersebut.
Untuk  mendapatkan  efektivitas lube  oil  cooler maka diperoleh Q actual sebagai berikut:
( )
=  617470,7  lb/hr  ×  0,5732  Btu/lb.f  ×  (109,4
ºF – 95 ºF)
= 10257013,27 Btu/hr = 3006,033 kj/s Untuk  mendapatkan  q maks maka  fluida yang  memiliki  c  dan  m  yang  minimum berdasarkan  perancangan  diperoleh  dari  fluida lube oil seperti yang ditunjukkan pada perhitungan sebagai berikut:
( )
= 947634,9 lb/hr × 1,0031 Btu/lb.f × (168,98
ºF – 140 ºF) = 13688246,28 Btu/hari = 4001,628 kj/s Maka efektivitas didapat
berdasarkan perbandingan  antara  q actual dan  q maks sebagai berikut:
ℇ =
= 0,749 atau 74,9 %.

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil  perancangan heat  exchanger tipe fin  and  tube ada  beberapa  kesimpulan berikut:
1. Hasil rancangan lube oil cooler tipe fin & tube dengan  fluida  kerja lube  oil dan fluida  pendingin cooling  water adalah sebagai berikut:

## Spesifikasi Hasil Perancangan
Parameter Nilai Satuan T f Lube Oil 67,77 ⁰ C T f Cooling Water 39 ⁰ C Diameter luar pipa 0,038 m Diameter dalam pipa 0,035 m Panjang pipa 4,49 m Jumlah pipa per baris 13 buah Jumlah baris 161 baris Jumlah sirip 2 sirip Faktor kekotoran 0,006 Pressure  drop sisi duct 0,075 bar Pressure  drop sisi tube 0,574 bar
2.  Setelah  dilakukan  simulasi  menggunakan software aspen hysys V11 hasil perancangan valid  dibuktikan  dengan  aliran  material  yang berwarna  biru  dan  aliran  energi  yang berwarna  merah,  serta  tidak  terjadi  eror ketika dimasukkan parameter.
3.  Berdasarkan  analisis performance dengan metode Number of Transfer Unit (NTU) pada perancangan di  dapatkan efektivitas sebesar .74,9 %.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Arif  Rochman  Fachrudin,  G.  R.  (2019). Pengaruh Jumlah Sirip Terhadap
Perpindahan  Panas  Double  Pipe  Heat Exchanger . Jurnal Teknik Mesin , 68-71.
[2].  Incopera,  F.  P.,  &  David,  P.  D.  (1996). Fundamental  of  Heat  and  Mass  Transfer Seventh Edition.
[3].  Kern,  D.  Q.  (1965). Process  Heat  Trnasfer  .
Mc. Graw Hill.
[4].  Kuppan  ,  T.  (2013). Heat  Exchanger  Design Handbook  Second  Edition. U.S:  Taylor  & Francis Group.
[5].  Moran,  M.,  &  Shapiro,  N.  H.  (2006). Fundamental Of Engineering 5th Edition.
[6].  Mulyani,  D.  (2019).  Perancangan  Cold Preheater  Train  Tipe  Spiral  Plate  Heat Exchanger  Pada  Proses  Disalter  Minyak
Bumi. Diambil kembali dari
http://digilib.polban.ac.id
[7].  PT  Indonesia  Power.  (2016). Pengoperasian
PLTGU.
[8].  Warren,  R.  (1998). Handbook  of  Heat Transfer. New York: Mc. Graw Hill.