## SINERGI Polmed : JURNAL ILMIAH TEKNIK MESIN
Homepage jurnal: http://ojs.polmed.ac.id/index.php/Sinergi/index

## ANALISIS  SISTEM  PENDINGIN  BEARING  TURBIN  FRANCIS HORIZONTAL UNIT 1 DENGAN DAYA 6,7 MW DAN PUTARAN 750

## RPM DI PLTA PAKKAT PT. ENERGI SAKTI SENTOSA
Adelia Febrina Br. Sembiring a , Johan Christian Siahaan b , Sihar Siahaan a
a Teknik Konversi Energi, Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan,  Jl. Almamater No.1, Padang Bulan, Kec. Medan Baru, Kota medan, Sumatera Utara 20155, Indonesia
b PT.Energy Sakti Sentosa PLTA Pakkat, Kab Humbang Hasundutan, Sumatera Utara, 22451, Indonesia
E-mail: adeliafebrina@students.polmed.ac.id
I N F O A R T I K E L

## Riwayat artikel:
Diajukan pada 15 Februari 2022 Direvisi pada 14 Maret 2022 Disetujui pada 24 Maret 2022 Tersedia daring pada 05 April 2022
Kata kunci: Bearing , heat exchanger , efektivitas, perpindahan panas Keywords:
Bearing, heat exchanger, effectiveness,
heat transfer A B S T R A K
Bearing merupakan  salah  satu  komponen  pada  PLTA  yang  berperan  dalam  menjaga posisi turbine shaft tetap berada dalam satu poros ( center ). Dalam pemeliharan bearing turbin  dilakukan  sistem  pendinginan  pada bearing turbin  yaitu  pelumasan  terhadap bearing dengan  menggunakan  oli.  Pada  pendinginan  oli  pelumas  digunakan  sistem pendingin jenis heat exchanger tipe shell and tube . Perhitungan besar perpindahan kalor dan efektivitas sangat diperlukan untuk mengetahui pengaruh temperatur fluida panas dan  fluida  dingin  terhadap  efektivitas  sistem  pendingin bearing turbin.  Perhitungan terhadap besar perpindahan kalor dan efektivitas sistem pendingin bearing turbin pada PLTA  Pakkat  menggunakan  metode  perpindahan  panas  secara  konveksi.  Hasil  dari analisis  yang  telah  dilakukan  maka  diperoleh  perpindahan  kalor  yang  terjadi  sebesar 168848,155 W  dan  efektivitas  pada  sistem  pendingin bearing turbin sebesar  75,75%. Hal ini dapat disimpulkan bahwa semakin kecil selisih temperatur fluida panas dan fluida dingin yang masuk ke sistem pendingin maka efektivitas suatu sistem pendingin akan lebih besar begitupun sebaliknya.

## A B S T R A C T
A Bearing is one of the components in hydropower plant that plays a role in maintaining the  position  of  the turbine shaft  remains in one  shaft  (center). In  the  maintenance of turbine  bearings,  a  cooling  system  is  carried  out  on  the  turbine  bearings,  namely lubrication  of  the  bearings  using oil. Large  calor  movement  and  effectiveness in this matter  are needed  to  know how hot  and  cold  temperatures  affect the  effectiveness  of turn-bearing  cooling  systems.  Analysis  of  the  magnitude  of  calor  migration  and  the effectiveness  of  turbine  cooling  systems  on  the PLTA Pakkat  use  convection  heat- transfer methods. The result of an analysis was that a heat movement of 168848.155 W and the effectiveness of a turbine bearing cooling system of 75.75%. It could conclude that  the  lower  the  difference  between  heat  and  cold  temperatures  in  cooling  systems would be greater than the small effectiveness.

## 1. PENGANTAR
Perkembangan industri yang bergerak dengan pesat akan menuntut ketersediaan energi yang cukup besar pula. Pembangkit tenaga listrik merupakan salah satu penyedia kebutuhan listrik yang paling banyak di Indonesia dan kebutuhan ini telah menjadi kebutuhan pokok ( primer ).  Salah  satu pusat  pembangkit tenaga yang  menghasilkan  energi  listrik  adalah  Pembangkit  Listrik Tenaga Air  (PLTA).  PLTA adalah salah satu pembangkit yang memanfaatkan aliran air untuk diubah menjadi energi listrik. Pembangkit listrik ini bekerja dengan cara merubah energi air yang mengalir (dari bendungan atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik dengan bantuan generator (Wahyu Hidayat, 2019). Energi listrik tersebut dialirkan melalui jaringan-jaringan yang telah dibuat, hingga akhirnya energi listrik tersebut sampai ke konsumen. PT Energi Sakti Sentosa (ESS) adalah anak perusahaan Kencana Energy, yang memiliki dan menjalankan PLTA Pakkat di Kabupaten Humbang Hasundutan, Sumatera Utara. Pembangkit ini mampu membangkitkan daya listrik dalam jumlah besar – 125-gigawatt jam per tahun dengan tingkat utilisasi 79,27 % untuk menjaga dan melestarikan  lingkungan  alam  sekitarnya.  PT  Energi  Sakti  Sentosa  membangun  dan  mengoperasikan  PLTA  Pakkat  dengan  kapasitas sebesar 3 × 6 MW (PLTA Pakkat, 2021). Dengan demikian perlu adanya suatu sistem pemeliharaan ( Maintenance ) di PLTA untuk menjaga pengoperasian pembangkit listrik dapat berjalan dengan baik. Sistem Pemeliharaan ( maintenance ) rutin dilakukan terhadap turbin PLTA Pakkat  supaya  menjaga  kehandalan  ( perfomance ),  daya  tahan  ( lifetime ),  dan  fungsi  sesuai  dengan  kebutuhan.  Sistem  pemeliharaan ( maintenance ) juga sangat penting dilakukan guna menjaga terjadinya kerusakan sehingga tidak dapat digunakan ( function failure ). Salah satu  komponen  pada  PLTA  yang  rutin  dilakukan  kegiatan  pemeliharaan  ( maintenance )  adalah guide  bearing turbine (Pajar  Limbong, 2020). Dalam menjaga posisi turbine shaft yang berputar dengan kecepatan mencapai 750 rpm dan digunakan guide bearing yang berfungsi untuk menjaga agar turbine shaft tetap berada dalam satu poros ( center ). Pada saat pengoperasian, guide bearing terkena gaya gesek akibat rotasi turbine shaft menyebabkan temperatur mengalami kenaikan. Untuk menjaga agar guide bearing tetap dalam temperatur yang normal, guide bearing diberikan pelumasan menggunakan oli, dengan kondisi guide bearing direndam di dalam oli secara terus menerus dalam proses operasi. Tangki lubrikasi bertujuan untuk menurunkan temperatur oli yang meningkat dikarenakan terjadi perpindahan panas pada guide bearing , maka dibutuhkan heat exchanger yang dialiri air sebagai pendingin minyak. Jenis heat exchanger yang digunakan di PLTA Pakkat adalah tipe Shell and Tube (Eliezer, 2020).

## 1.1. Perpindahan Kalor (Heat Transfer)
Perpindahan kalor ( heat transfer ) adalah proses berpindahnya energi kalor ( heat ) karena adanya perbedaan temperatur. Dimana, energi kalor akan berpindah dari temperatur media yang lebih tinggi ke temperatur media yang lebih rendah. Proses perpindahan  panas akan terus berlangsung sampai ada kesetimbangan temperatur yang terjadi pada kedua media tersebut. Proses terjadinya perpindahan panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi (I Nyoman Widya Putra Yasa, 2015).

## 1.2. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Alat penukar kalor ( heat exchanger ) merupakan sebuah alat yang berfungsi untuk menurunkan dan/atau meningkatkan temperatur sebuah  sistem  dengan  memanfaatkan  suatu  media  pendingin  atau  pemanas  sehingga  kalor  dapat  berpindah  dari  temperatur  tinggi  ke temperatur rendah. Tujuan dari alat penukar kalor tersebut adalah untuk mengontrol suatu sistem (temperatur) dengan menambahkan atau menghilangkan  energi termal dari  suatu  fluida  ke  fluida  lainnya.  Walaupun  ada banyak  perbedaan  ukuran,  tingkat  kesempurnaan,  dan perbedaan jenis alat penukar kalor, semua alat penukar kalor menggunakan elemen-elemen konduksi thermal yang pada umumnya berupa tube atau plat untuk memisahkan dua fluida (Bizzy, I., dan Setiadi, R., 2013).

## 1.3. Heat Exchanger tipe Shell and Tube pada PLTA Pakkat
Alat penukar kalor tipe ini adalah salah satu alat penukar kalor yang menurut konstruksinya dicirikan adanya sekumpulan tube yang dipasangkan di dalam shell berbentuk silinder dimana dua jenis fluida yang saling bertukar kalor mengalir secara terpisah, masing- masing  melalui  sisi tube dan  sisi shell (Sitompul  T.M.,  2019).  Aliran  dalam shell turbulen  bertujuan  untuk  memperbesar  koefisien perpindahan  panas  konveksi,  maka  pada shell dipasang  sekat  ( baffle ).  Pada  PLTA  Pakkat, Heat Exchanger ini  digunakan  untuk mendinginkan oli pada bearing dengan menggunakan fluida air, terdapat 2 (dua) buah alat penukar kalor tipe shell and tube yang menyuplai 4 (empat) buah bearing dalam satu unit. Namun perhitungan terhadap data yang diperoleh hanya akan dilakukan pada satu alat penukar kalor saja karna pada dasarnya kedua alat penukar kalor tersebut memiliki  tipe dan konstruksi yang sama (Nandy Putra, 2002). Setelah melewati proses pendinginan maka temperatur oli akan turun menjadi 34°C. Pada PLTA Pakkat jumlah laluan alat penukar kalornya adalah laluan 1-2. Alat Penukar Kalor Laluan 1-2 ialah aliran didalam shell 1(satu) lintasan, dan aliran fluida pada sisi tube 2(dua) lintasan (PLTA Pakkat, 2021). Untuk memperoleh laluan 2 (dua) lintasan pada sisi tube digunakan floating head seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 : APK 1-2 dengan counter-parallel flow floating head (Sitompul T.M., 2019)
Fluida dingin masuk pada ujung lain dan mengalir secara counter flow dibagian luar tube tetapi masih didalam shell . Baffle-baffle
digunakan agar fluida dapat mengalir secara bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube . Shell and tube heat
exchanger terdapat tiga tahap perpindahan panas, yaitu konveksi sisi shell , konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube . Keuntungan
Shell and Tube Heat Exchanger sebagai berikut (Nandy Putra, 2020): 1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.
3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah stabil ( well-astablished )
4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5. Mudah membersihkannya
6. Prosedur perancanaannya sudah stabil ( well-astablished ).
7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti.
9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang.

## 2. METODE

## 2.1 Perhitungan Efektivitas Alat Penukar Kalor
Untuk menghitung efektivitas alat penukar kalor tipe shell and tube , dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut (Holman, J.P., 1997, Sitompul T.M., 2019):
1. Temperatur rata-rata fluida dingin
Untuk menentukan sifat-sifat fluida dingin (air), dilakukan perhitungan temperatur rata-rata air pada persamaan 1
𝑇 𝑐 = 𝑇 𝑐𝑖 +𝑇 𝑐𝑜 2 (1)
Keterangan: 𝑇 𝑐
= Temperatur rata-rata fluida dingin (air) 𝑇 𝑐𝑖 = Temperatur air masuk ( ℃ ) 𝑇 𝑐𝑜 = Temperatur air keluar ( ℃ ) 2. Temperatur rata-rata fluida panas
Untuk menentukan sifat-sifat fluida panas (oli), dilakukan perhitungan temperatur rata-rata oli pada persamaan 2:
𝑇 ℎ = 𝑇 ℎ𝑖 +𝑇 ℎ𝑜 2 (2)
Keterangan:
𝑇 ℎ = Temperatur rata-rata fluida panas (oli) 𝑇 ℎ𝑖 = Temperatur oli masuk ( ℃ ) 𝑇 ℎ𝑜 = Temperatur oli masuk ( ℃ )
3. Beda Temperatur Rata-Rata Logaritma (LMTD)
Faktor perhitungan pada alat penukar kalor adalah masalah perpindahan panasnya. Apabila panas yang dilepaskan besarnya sama dengan Q peraturan waktu, maka panas itu diterima fluida yang dingin sebesar Q tersebut pada persamaan 3: 𝑄 = 𝑈 ×  𝐴 ×   ∆𝑇 𝐿𝑀𝑇𝐷
Keterangan:
𝑄 = Kalor yang dilepaskan/diterima (W) 𝑈 = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 ℃) 𝐴
= Luas perpindahan panas (m 2 ) ∆𝑇 𝐿𝑀𝑇𝐷 = Selisih temperatur rata – rata ( ℃)
Sebelum menentukan luas permukaan kalor (A), maka akan lehih dahulu ditentukan nilai dari LMTD. Hal ini berdasarkan selisih temperatur fluida yang masuk dan keluar dari kalor pada persamaan 4:
𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇 𝑚𝑎𝑘𝑠 −∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 𝐿𝑛 ∆𝑇𝑚𝑎𝑘𝑠 ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 (4)
LMTD untuk aliran searah terdapat pada Gambar 2:
Gambar 2 : Profil temperatur aliran searah (Sitompul T.M., 2019)
Profil temperatur aliran searah nilai beda temperatur rata-rata logaritma (LMTD) dapat dihitung dengan persamaan 5:
𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇 1 −∆𝑇 2 𝐿𝑛( ∆𝑇1 ∆𝑇2 ) = (𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑖)−(𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑜)
𝐿𝑛( 𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑖 𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑜 ) (5)
LMTD untuk aliran berlawanan terdapat pada Gambar 3:
Gambar 3 : Profil temperatur aliran berlawanan (Sitompul T.M., 2019)
Profil temperatur aliran berlawanan nilai beda temperatur rata-rata logaritma (LMTD) dapat dilihat pada persamaan 6:
𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇 1 −∆𝑇 2 𝐿𝑛( ∆𝑇1 ∆𝑇2 ) = (𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑜)−(𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑖)
𝐿𝑛( 𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑜 𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑖 ) (6) 4. Bilangan Reynold
Untuk menentukan bilangan reynold pada shell , dilakukan perhitungan seperti persamaan 7:
𝑅𝑒 𝑠 = 𝑉𝑠×𝐷𝑒 𝑣 (7)
Keterangan:
𝑅𝑒 𝑠 = bilangan Reynold pada shell 𝑉𝑠 = kecepatan oli pada shell (m/s) 𝐷𝑒 = diameter hidrolik (m) 𝑣 = viskositas kinematik (m 2 /s)
Untuk menentukan bilangan reynold pada tube, dilakukan perhitungan seperti persamaan 8:
𝑅𝑒 𝑡 = 𝑉𝑡×𝑑𝑖 𝑣 (8)
Keterangan:
𝑅𝑒 𝑡 = bilangan Reynold pada tube 𝑉𝑡 = kecepatan air pada tube (m/s)
𝑑𝑖
= diameter dalam (m)
𝑣 = viskositas kinematik (m 2 /s)
5. Koefisien Perpindahan Panas
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada shell , dilakukan perhitungan seperti persamaan 9:
ℎ 𝑜 = 𝑁𝑢 𝑠 × 𝑘 𝑜𝑙𝑖 𝐷𝑒
(9)
Keterangan:
ℎ 𝑜 = koefisien perpindahan kalor pada shell (W/m 2 ℃ ) 𝑁𝑢 𝑠 = bilangan Nusselt 𝑘 𝑜𝑙𝑖 = konduktivitas termal pada oli (W/m ℃ )
𝐷𝑒 = diameter hidrolik (m)
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada tube , dilakukan perhitungan seperti persamaan 10:
ℎ 𝑖 = 𝑁𝑢 𝑡 × 𝑘 𝑎𝑖𝑟 𝑑𝑖 (10)
Keterangan:
ℎ 𝑖 = koefisien perpindahan kalor pada tube (W/m 2 ℃ ) 𝑁𝑢 𝑡 = bilangan Nusselt 𝑘 𝑎𝑖𝑟 = konduktivitas termal pada air (W/m ℃ ) 𝑑𝑖 = diameter dalam (m)
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas menyeluruh, dilakukan perhitungan seperti persamaan 11:
1 𝑈 = 1 𝑈𝑜 + 𝑅 𝑑𝑖 + 𝑅 𝑑𝑜 (11)
Keterangan:
𝑈 = koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 ℃ ) 6. Faktor Pengotoran ( Fouling Factor )
Faktor  pengotoran  ini  sangat  mempengaruhi  perpindahan  panas  pada heat  exchanger .  Pengotoran  ini  dapat  terjadi  karena endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchanger akibat pengaruh dari jenis fluida  yang  dialirinya.  Terjadinya  pengotoran  tersebut  dapat  mempengaruhi  temperatur  fluida  mengalir  juga  koefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat pengotoran adalah temperatur fluida, temperatur dinding plat, dan kecepatan aliran fluida. Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U untuk kondisi bersih dan kondisi kotor pada penukar kalor itu. Faktor pengotoran pada persamaan 12:
𝑅𝑓 = 1 𝑈 𝑘𝑜𝑡𝑜𝑟 − 1 𝑈 𝑏𝑒𝑟𝑖ℎ (12) Keterangan:
𝑅𝑓 = Faktor pengotoran ( fouling factor ) 𝑈 𝑘𝑜𝑡𝑜𝑟 = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh direncanakan (W/m 2 ℃ ) 𝑈 𝑏𝑒𝑟𝑠𝑖ℎ = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh bersih (W/m 2 ℃ )
7. Perpindahan Kalor
Untuk menentukan laju perpindahan kalor, dilakukan perhitungan seperti persamaan 13:
𝑄𝑝𝑝 = 𝑈𝑜 × 𝐴𝑜 × ∆𝑇 𝐿𝑀𝑇𝐷 𝐹
(13)
Keterangan:
𝑄𝑝𝑝      = jumlah kalor yang dipindahkan (W) 𝑈𝑜         = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m 2 ℃ ) 𝐴𝑜         = luas perpindahan panas (m 2 ) ∆𝑇 𝐿𝑀𝑇𝐷 = perbedaan temperatur (℃) 𝐹            = faktor koreksi
Untuk menentukan perpindahan kalor total, dilakukan perhitungan seperti persamaan 14:
𝑄 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 × 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 (𝑇𝑐 𝑜 − 𝑇𝑐 𝑖 ) (14)
Keterangan:
𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 = laju aliran air (kg/s) 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 = panas spesifik ( 𝐽/𝑘𝑔℃ ) 𝑇𝑐 𝑖 = Temperatur air masuk ( ℃ ) 𝑇𝑐 𝑜 = Temperatur air keluar ( ℃ )
8. Efektivitas
Untuk menentukan efektivitas, dilakukan perhitungan seperti persamaan 15:
𝜀 = (𝑇ℎ𝑖−𝑇ℎ𝑜) (𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑖) × 100%
(15)
Keterangan: 𝑇 ℎ𝑖 = Temperatur oli masuk ( ℃) 𝑇 ℎ𝑜 = Temperatur oli keluar ( ℃) 𝑇 𝑐𝑖 = Temperatur air masuk ( ℃)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Data Heat Exchanger pada PLTA Pakkat
Berikut adalah data-data yang diperlukan dalam melakukan analisis efektivitas sistem pendingin bearing turbin tipe shell and tube pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1 : Data spesifikasi dan operasional pada Shell Fluida yang digunakan Oli Shell T 68 Temperatur oli masuk (T hi ) 59 ℃ Temperatur oli keluar (T ho ) 34 ℃ Laju aliran oli (m oli ) 200 kg/s Diameter dalam (m) 1020 m Jumlah laluan (n pass ) 2 Jarak sekat (Lb) 0,6 m
Tabel 2 : Data spesifikasi dan operasional pada tube Fluida yang digunakan Air sungai Temperatur air masuk (T ci ) 26℃ Temperatur air masuk (T co ) 36 ℃ Laju aliran air (ṁ air ) 170 kg/s Diameter dalam (di) 0,0226 m Diameter luar (do) 0,024 m Jumlah tube (Nt) 250 Panjang tube (L) 1,5 m Pitch tube ( Pt) 0,036 m

## 3.2 Analisis Data Heat Exchanger Berdasarkan Data Spesifikasi dan Operasional
Perhitungan  dan  analisis  data heat  exchanger PLTA  Pakkat  menggunakan  persamaan  sebagai  berikut  (Holman,  J.P.,  1997, Sitompul T.M., 2019):
1. Temperatur rata-rata fluida dingin
Untuk menentukan sifat-sifat fluida dingin (air), dilakukan perhitungan temperatur rata-rata air dari persamaan 1 :
𝑇 𝑐 = 𝑇 𝑐𝑖 + 𝑇 𝑐𝑜 2 = 26 + 36 2 = 31 ℃
Dengan melakukan interpolasi maka diperoleh:
𝐶𝑝 = 4178,1 𝐽/𝑘𝑔℃ 𝜇 = 0,7835  ×   10 −3 𝑘𝑔/𝑚𝑠
𝑃𝑟 = 5,31
𝜌 = 995,61𝑘𝑔/𝑚 3 𝑘 = 0,6166 𝑊/𝑚℃ 2. Temperatur rata-rata fluida panas (oli)
Untuk menentukan sifat-sifat fluida panas (oli), dilakukan perhitungan temperatur rata-rata oli dari persamaan 2:
𝑇 ℎ = 𝑇 ℎ𝑖 + 𝑇 ℎ𝑜 2
= 59 + 34 2

## = 46,5 ℃
Dengan melakukan interpolasi pada sifat-sifat fluida ( Engine oli ) dimana temperatur rata-rata pada pada oli yaitu 46,5 ℃ berada pada dua data sehingga diperoleh:
𝐶𝑝 = 1991,3 𝐽/𝑘𝑔℃ 𝜇 = 0,1710 𝑘𝑔/𝑚𝑠 𝑃𝑟 = 2350,35 𝜌 = 872,06 𝑘𝑔/𝑚 3 𝑘 = 0,1431 𝑊/𝑚℃ 3. Beda Temperatur Rata-Rata Logaritma (LMTD)
Untuk aliran berlawanan, nilai beda temperatur rata-rata logaritma (LMTD) dapat dilihat dari persamaan 6:
∆ 𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇 1 − ∆𝑇 2 𝐿𝑛 ( ∆𝑇 1 ∆𝑇 2 ) = (𝑇ℎ𝑖 − 𝑇𝑐𝑜) − (𝑇ℎ𝑜 − 𝑇𝑐𝑖)
𝐿𝑛 ( 𝑇ℎ𝑖 − 𝑇𝑐𝑜 𝑇ℎ𝑜 − 𝑇𝑐𝑖 )
= (59 − 36)℃ − (34 − 26)℃
𝑙𝑛 (59 − 36)℃ (34 − 26)℃
= (23 − 8)℃ 𝑙𝑛 23℃ 8℃ = 14,204℃ 4. Bilangan Reynold
Untuk menentukan bilangan reynold pada shell , dilakukan perhitungan dari persamaan 7:
𝑅𝑒 𝑠 = 𝑉𝑠  ×  𝐷𝑒 𝑣 Untuk menentukan bilangan reynold pada shell , terlebih dahulu mencari nilai (𝑣) , De, kecepatan oli pada shell (Vs), dan (As) sebagai berikut:
𝑣   = 𝜇 𝑜𝑙𝑖 𝜌 𝑜𝑙𝑖 = 0,1710 𝑘𝑔/𝑚𝑠 872,06 𝑘𝑔/𝑚 3
= 1,96  ×   10 −4 𝑚 2 /𝑠
Nilai De ditentukan berdasarkan pola susunan tube . pola susunan tube heat exchanger tipe shell and tube ini adalah triangular, sehingga nilai De dapat ditentukan berdasarkan persamaan 8:
𝐷𝑒 = 4(0,5𝑃𝑡 × 0,866𝑃𝑡−0,5𝜋. 𝑑𝑜2 4 0,5𝜋 𝑑𝑜
= 4(0,5.0,036𝑚  × 0,866.0,036𝑚 − 0,5.3,14 × (0,024𝑚) 2
4 0,5.3,14.0,024 𝑚
= 4(5,6 × 10 −4 −2,26 × 10 −4 )𝑚 2
0,03768 = 0,035 m
Kecepatan oli pada shell dapat diperoleh melalui persamaan 16 sebagai berikut:
𝑉𝑠 = 𝑚̇ 𝑜𝑙𝑖 𝜌 𝑜𝑙𝑖 𝐴𝑠 (16)
Untuk menyelesaikan persamaan 16, terlebih dahulu melakukan perhitungan As pada persamaan 17 sebagai berikut:
Diketahui: 𝐶 = 𝑃𝑡 − 𝑑𝑜 = 0,036 𝑚 − 0,024 𝑚 = 0,012 𝑚
𝐴𝑠 = 𝑑𝑠× 𝐶×𝐿𝑏 𝑃𝑡 (17)
= 1,020 𝑚.0,012 𝑚.0,6 𝑚 0,036 𝑚
= 0,204 𝑚 2
Sehingga didapatkan nilai kecepatan oli pada shell melalui persamaan 18 yaitu:
𝑉𝑠 = 𝑚̇ 𝑜𝑙𝑖 𝜌 𝑜𝑙𝑖 𝐴𝑠 (18)
= 200 𝑘𝑔/𝑠 872,06 𝑘𝑔/𝑚 3 . 0,204𝑚 2
= 1,1242 𝑚/𝑠
Maka akan didapatkan nilai bilangan Reynold pada shell pada persamaan 19:
𝑅𝑒 𝑠 = 𝑉𝑠×𝐷𝑒 𝑣 (19)
= 1,1242 𝑚/𝑠  ×  0,035
1,96 𝑥 10 −4 𝑚 2 /𝑠 = 200,75 (aliran laminar)
Untuk menentukan bilangan reynold pada tube , dilakukan perhitungan seperti persamaan 8:
𝑅𝑒 𝑡 = 𝑉𝑡 × 𝑑𝑖 𝑣 Untuk menentukan bilangan reynold pada tube , terlebih dahulu mencari nilai (𝑣) , kecepatan oli pada tube (Vt) persamaan 20 sebagai berikut:
𝑣      = 𝜇 𝑎𝑖𝑟 𝜌 𝑎𝑖𝑟 (20)
= 0,7835  ×   10 −3 𝑘𝑔/𝑚𝑠 995,61 𝑘𝑔/𝑚 3
= 7,86  ×   10 −7 𝑚 2 /𝑠
Kecepatan air pada tube dapat diperoleh melalui persamaan 21 berikut:
𝑉𝑡 = 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 𝜌×𝐴𝑡 (21)
Untuk menyelesaikan persamaan diatas, terlebih dahulu melakukan perhitungan At persamaan 22 sebagai berikut:
𝐴𝑡 = 1 4 𝜋 × 𝑑𝑖 2 × 𝑁𝑡 (22)
= 1 4 × 3,14( 0,0226) 2 ×250 = 0,1002 𝑚 2
Sehingga didapatkan nilai kecepatan air pada tube melalui persamaan 23 berikut:
𝑉𝑡 = 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 𝜌𝐴𝑡 (23)
= 170 𝑘𝑔/𝑠 995,61 𝑘𝑔/𝑚 3 × 0,1002𝑚 2 = 1,7040 𝑚/𝑠
Maka akan didapatkan nilai bilangan Reynold pada tube dari persamaan 8 sebagai berikut:
𝑅𝑒 𝑡 = 𝑉𝑡 × 𝑑𝑖 𝑣
= 1,7040 𝑚/𝑠. 0,0226 𝑚
7,86  ×   10 −7 𝑚 2 /𝑠 = 48995,41 (aliran turbulen)
5. Koefisien Perpindahan Panas
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada shell , dilakukan perhitungan seperti persamaan 9: ℎ 𝑜 = 𝑁𝑢 𝑠 ×𝑘 𝑜𝑙𝑖 𝐷𝑒
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada shell , terlebih dahulu mencari nilai bilangan Nusselt sebagai berikut:
𝑁𝑢 𝑠 = 0,664 × 𝑅𝑒 𝑠 05 𝑃𝑟 𝑜𝑙𝑖 0,3 ( 𝑑 𝑠 𝑙 ) 0,5
= 0,664  ×  14,1686  ×  10,2645  ×  0,8246 = 79,6298
Maka akan didapatkan nilai koefisien perpindahan panas pada shell sebagai berikut:
ℎ 𝑜 = 𝑁𝑢 𝑠 × 𝑘 𝑜𝑙𝑖 𝐷𝑒 = 79,6298. 0,1431 𝑊/𝑚℃ 0,035 𝑚 = 325,5721 𝑊/𝑚 2 ℃
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada tube , dilakukan perhitungan seperti persamaan 10:
ℎ 𝑖 = 𝑁𝑢 𝑡 × 𝑘 𝑎𝑖𝑟 𝑑𝑖
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada tube , terlebih dahulu mencari nilai bilangan Nusselt dengan menggunakan persamaan 24 (Dittus Boelter) sebagai berikut:
𝑁𝑢 𝑡 = 0,023 × 𝑅𝑒 𝑡 0,8 𝑃𝑟 𝑎𝑖𝑟 𝑛 (n = 0,4) (24) = 0,023  ×  5.650,9871  ×  1,95
= 253,4467
Maka akan didapatkan nilai koefisien perpindahan panas pada shell sebagai berikut:
ℎ 𝑖 = 𝑁𝑢 𝑡 × 𝑘 𝑎𝑖𝑟 𝑑𝑖 = 253,4467 ×  0,6166 𝑊/𝑚℃
0,0226 𝑚 = 6914,8552 𝑊/𝑚 2 ℃
Perhitungan temperatur pada dinding tube dapat dihitung sebagai berikut:
𝑇𝑡 = 1 2 ( 𝑇 𝑐𝑖 + 𝑇 𝑐𝑜 2 + 𝑇 ℎ𝑖 + 𝑇 ℎ𝑜 2 ) = 1 2 ( 26℃ + 36℃ 2 + 59℃ + 34℃
2 ) = 38,75℃
Dengan temperatur dinding 38,75 ℃ maka berdasarkan Gambar 4 konduktivitas termal zat padat, diperoleh nilai konduktivitas termal baja karbon sebesar 39,78 𝑊/𝑚℃ .
Gambar 4 : konduktivitas termal beberapa zat padat (J.P Holman, 1997)
𝑈𝑜 = 1
𝐴𝑜 𝐴𝑖 . 1 ℎ𝑖 + 𝐴𝑜 ln ( 𝑟 𝑜 𝑟 𝑖 ) 2𝜋𝑘𝐿 + 1 ℎ 𝑜
𝑈𝑜 =
1
𝑟 𝑜 𝑟𝑖 . 1 ℎ𝑖 + 𝑟 𝑜 ln ( 𝑟 𝑜 𝑟 𝑖 ) 𝑘 + 1 ℎ 𝑜
= 1 0,012 0,0113 .
1
6914,8552 𝑊/𝑚 2 ℃ +
0,012. 𝑙𝑛 ( 0,012𝑚
0,0113𝑚 ) 39,78 𝑊/𝑚℃ + 1 325,5721𝑊/𝑚 2 ℃ = 253,3993 𝑊/𝑚 2 ℃
6. Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh dan Menentukan Faktor Pengotoran
Diperoleh data Daftar Faktor Pengotoran Normal sebagai berikut:
𝑅 𝑑𝑖 = 0,00009 𝑚 2 ℃/𝑊 (air laut dibawah 125 ℉ ) 𝑅 𝑑𝑜 = 0,0007 𝑚 2 ℃/𝑊 (minyak celup)
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas menyeluruh, dilakukan perhitungan seperti persamaan 11:
1 𝑈 = 1 𝑈𝑜 + 𝑅 𝑑𝑖 + 𝑅 𝑑𝑜
= 1 253,3993 𝑊/𝑚 2 ℃ + 0,00009 𝑚 2 ℃/𝑊  + 0,0007 𝑚 2 ℃/𝑊 𝑈 = 211,1334 𝑊/𝑚 2 ℃
Untuk menentukan nilai faktor koreksi (F) dapat melalui diagram/grafik pada Gambar 5 grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk satu laluan shell dengan dua laluan tube , dan empat laluan tube , sebagai berikut:
Gambar 5: Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk satu laluan shell dengan dua laluan tube , dan empat laluan tube (Sitompul T.M., 2019)
𝑃 = 𝑇 𝑐𝑜 − 𝑇 𝑐𝑖 𝑇 ℎ𝑖 − 𝑇 𝑐𝑖 = (36 − 26)℃ (59 − 26)℃ = 0,3030
𝑅 = 𝑇 ℎ𝑖 −𝑇 ℎ𝑜 𝑇 𝑐𝑜 −𝑇 𝑐𝑖 = (59−34)℃ (36−26)℃ = 2,5
Dari Gambar 5 Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk satu laluan shell dengan dua laluan tube , dan empat laluan tube , didapatkan nilai sebagai berikut: F = 0,83
7. Menghitung Luas Perpindahan Panas dan Jumlah Kalor yang Dipindahkan
Untuk menentukan jumlah kalor yang dipindahkan, terlebih dahulu mencari nilai A o , sebagai berikut:
𝐴 𝑜 = 2𝜋  × 𝑑 𝑜 × 𝐿  × 𝑁𝑡 = 2 ×  3,14 ×  0,024 𝑚 ×  1,5 𝑚 × 250 = 56,52 𝑚 2
Untuk menentukan jumlah kalor yang dipindahkan, dilakukan perhitungan seperti persamaan 3: 𝑄𝑝𝑝 = 𝑈𝑜  × 𝐴𝑜  × ∆𝑇 𝐿𝑀𝑇𝐷 × 𝐹 = 253,3993 𝑊 𝑚 2 ℃ ×  56,52 𝑚 2 ×  14,204℃ ×  0,83

## = 168848,155 𝑊
Untuk  menentukan perpindahan  kalor total  dapat ditentukan  dari  energi  yang diserap  air,  maka  dilakukan  perhitungan  seperti persamaan 17:
𝑄 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 × 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 (𝑇𝑐 𝑜 − 𝑇𝑐 𝑖 ) = 170 𝑘𝑔/𝑠 ×  4178,1 𝐽/𝑘𝑔℃  × (36 − 26)℃ = 7102770 𝑊
8. Efektivitas
Kapasitansi panas untuk fluida dingin (air) adalah: 𝐶𝑐 = 𝑚̇ 𝑎𝑖𝑟 × 𝐶𝑝 𝑎𝑖𝑟 = 170 𝑘𝑔 𝑠 ×  4178,1 𝐽/𝑘𝑔℃ = 710277 𝐽/𝑠℃
Kapasitansi panas untuk fluida panas (oli) adalah: 𝐶ℎ = 𝑚̇ 𝑜𝑙𝑖 × 𝐶𝑝 𝑜𝑙𝑖 = 200 𝑘𝑔/𝑠 ×  1991,3 𝐽/𝑘𝑔℃ = 398260 𝐽/𝑠℃
Karena Ch < Cc, maka untuk menentukan efektivitas, dilakukan perhitungan seperti persamaan 15:
𝜀 = (𝑇ℎ𝑖 − 𝑇ℎ𝑜) (𝑇ℎ𝑖 − 𝑇𝑐𝑖) 𝑥100%
= (59−34)℃ (59−26)℃ 𝑥 100%
= 75,75 %
Dengan  melakukan  perhitungan  menggunakan  data  yang  tersedia  pada  Tabel  1  dan  menggunakan  data  pada  Tabel  2, maka diperoleh hasil analisis yang dapat dilihat pada Tabel 3, sebagai berikut:
Tabel 3: Hasil analisis efektivitas sistem pendingin bearing turbin tipe shell and tube
Hasil Perhitungan analisis efektivitas sistem pendingin bearing turbin tipe shell and tube
Temperatur rata-rata pada fluida dingin (T c ) 31 Temperatur rata-rata fluida panas (T h ) 46,5 Beda Temperatur Rata-Rata Logaritma (∆ LMTD ) 14,204
Bilangan Reynold pada shell (Re s ) 200,75
Bilangan Reynold pada tube (Re t ) 48995,41
Bilangan Nusselt pada s hell (Nu s ) 796,298
Bilangan Nusselt pada tube (Nu t ) 2,534,467
Koefisien perpindahan panas pada shell (h o ) 3,255,721 Koefisien perpindahan panas pada tube (h i ) 69,148,552 Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) 2,111,334 Jumlah Perpindahan kalor (Q pp ) 168,848,155 Perpindahan kalor total (Q total ) 7102770 Efektivitas (ε) 75,75%
Berdasarkan Tabel 3 Hasil Perhitungan analisis efektivitas sistem pendingin bearing turbin tipe shell and tube maka diperoleh nilai besar koefisien perpindahan panas pada shell sebesar 325,5721 𝑊/𝑚 2 ℃ . Besar koefisien perpindahan panas pada tube sebesar 6914,8552 𝑊/𝑚 2 ℃ dan  koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh  sebesar  211,1334 𝑊/𝑚 2 ℃ .  Adapun  jumlah  kalor  yang  dipindahkan  sebesar 168848,155 𝑊 , besar perpindahan kalor total sebesar 7102770 𝑊 , dan efektivitas sistem pendingin bearing turbin untuk tipe shell and tube adalah 75,75%.

## 3.3 Pembahasan
Dari perhitungan efektivitas sistem pendingin bearing turbin tipe shell and tube yang telah dilakukan pada PLTA Pakkat PT Energy
Sakti Sentosa didapatkan bahwa efektivitas sistem pendingin bearing turbin yaitu sebesar 75,75% dibandingkan dengan nilai efektivitas yang diperoleh adalah 83,33% efektivitas alat penukar kalor tipe shell and tube unit 3 lebih besar (Monika Tio, 2017). Melihat perbandingan dengan referensi yang ada bahwa besar kecilnya efektivitas suatu sistem pendingin dipengaruhi oleh selisih dari temperatur fluida panas dan fluida dingin, semakin kecil selisih temperatur fluida panas dan fluida dingin yang masuk ke sistem pendingin maka efektivitas sistem pendingin  akan  semakin  besar  begitupun  sebaliknya.  Besarnya  perbedaan  temperatur  pada  fluida  juga  akan  mempengaruhi  nilai perpindahan  kalor  yang  terjadi  (Limbong  Pajar,  2020).  Perbedaan  temperatur  pada  fluida  panas  dan  fluida  dingin  sangat  berpengaruh terhadap besar perpindahan kalor yang terjadi dan efektivitas sistem pendingin bearing turbin (Arifin Jainal, 2020).

## 4. KESIMPULAN
Analisis sistem pendingin pada bearing Turbin Francis Horizontal pada Unit 1 PLTA Pakkat yang telak dilakukan dan diketahui bahwa terjadi perpindahan kalor yang terjadi sebesar 168848,155 𝑊 dan efektivitas pada sistem pendingin bearing turbin yaitu sebesar 75,75 %. Besar kecilnya efektivitas suatu sistem pendingin dipengaruhi oleh selisih dari temperatur fluida panas dan fluida dingin. Semakin kecil selisih temperatur fluida panas dan fluida dingin yang masuk ke sistem pendingin maka efektivitas sistem pendingin akan semakin besar begitupun sebaliknya. Tingkat kavitasi kecil sehingga tidak mengakibatkan efisiensi turbin turun drastis. Hal ini dilihat dari efisiensi turbin yang masih dalam batas normal. Adapun mengurangi  kavitasi yang besar yang mana nanti bisa berakibat menurunnya efisiensi turbin secara drastis maka diperlukan pola pengoperasian yang sesuai pada batas-batas tertentu secara teoritis, yakni mengoperasikan turbin dengan kondisi mengatur debit air masuk turbin, elevasi tail race (pembukaan pintu tail race ) yang aman.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan rasa syukur karena berkat dan rahmat yang maha kuasa penulis dapat menyelesaikan artikel ini, serta terima kasih yang  sedalamnya  karena  dukungan  finansial  yang  diberikan  oleh  Direktorat  Akademik  Pendidikan  Tinggi  Vokasi  Direktorat  Jenderal Penididikan  Vokasi  Kementerian  Pendidikan,  Kebudayaan,  Riset,  dan  Teknologi  melalui  Pusat  Penelitian  Pengabdian  Masyarakat, Politeknik Negeri Medan.
Bizzy, I., & Setiadi, R. (2013), Studi Perhitungan Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube dengan Program Heat Transfer Research Inc (HTRI). Jurnal Rekayasa Mesin 13 , 67-77.
Eliezer. (2020). Bagian yang didinginkan pada turbin. PLTA Pakkat PT Energy Sakti Sentosa. Pakkat.
Hidayat, W. (2019). Prinsip Kerja dan Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), INA-Rxiv Papers. Bandung Holman, J. P. (1997). Perpindahan Kalor. Erlangga, Jakarta.
Jainal A. (2020), Analisa Kinerja Alat Penukar Kalor jenis Shell and Tube pada Pendingin Oli Return Bearing . Majalah Ilmiah Teknik Mesin 20 , 12-23
Limbong, P. (2020). Analisis Sistem Pendingin Bearing Turbin dengan Daya 71,5 MW dan Putaran 333 RPM di PT Indonesia Asahan Alumunium (PERSERO). Politeknik Negeri Medan.
PLTA Pakkat. (2016). Dokumen PLTA Pakkat. PT Energy Sakti Sentosa.
Putra, N. (2002). Alat Penukar Kalor. Jakarta. Universitas Indonesia.
Putra,  I.N.W.  (2015).  Analisa  Performansi  Kolektor  Surya  Pelat  Bergelombang  untuk  Pengering  Bunga  Kamboja  dengan  Empat  Sisi Kolektor. Politeknik Negeri Bali.
Sitompul T.M. (2019). Alat Penukar Kalor. Jakarta. Erlangga.
Tio, M. (2017). Analisis Efektivitas Alat Penukar Kalor ( Heat Exchanger ) tipe Shell and Tube Unit 3 pada PLTA Pakkat. PT Energi Sakti Sentosa. Politeknik Negeri Medan.