Abstrak —Pada sebuah pembangkit listrik tenaga gas, sistem pelumasan turbin sangat diperlukan. Pelumas yang telah  digunakan  didinginkan  kembali  menggunakan lube oil  cooler . Lube  oil  cooler merupakan compact  heat exchanger tipe circular  tubes,  continuous  fins yang berfungsi  sebagai  pendingin  oli  dengan  udara  sebagai fluida  pendingin.  Pada  kondisi  operasional  didapatkan bahwa  temperatur  oli  keluar lube  oil  cooler masih  cukup tinggi.  Hal  ini  dapat  menyebabkan  turbin  gas shut  down . Berdasarkan  kondisi  tersebut,  maka  dilakukan  analisa performa lube  oil  cooler  existing dan  melakukan redesign untuk  meningkatkan effectiveness dari lube  oil  cooler . Analisa  performa lube  oil  cooler  existing meliputi perpindahan  panas actual dan effectiveness .  Sedangkan redesign dilakukan dengan variasi laju aliran massa fluida dingin  (udara)  dan surface  designation berdasarkan standard  Compact  heat  exchangers untuk  tipe circular tubes,  continuous  fins .  Dengan  batasan  yang  digunakan dalam  perancangan lube  oil  cooler adalah  volume  ruang penempatan heat  exchanger .  Perancangan  menggunakan metode LMTD dan NTU meliputi perhitungan perpindahan  panas  pada  sisi tubes dan fins ,  area perpindahan  panas, heat  transfer  actual,  overall  heat transfer  coefficient serta effectiveness. Dari  perhitungan yang  telah  dilakukan  didapatkan effectiveness dari lube oil  cooler  existing adalah  sebesar  13.6%.  Berdasarkan analisa redesign , hasil yang memiliki performa paling baik adalah surface  designation 8.0-3/8  T  dengan  laju  aliran massa udara 7.5 kg/s dengan temperatur keluar oli sebesar 342.14  K, effectiveness 29%.  Adapun  detail  dimensi redesign adalah jumlah tubes 245, diameter tube 0.0102 m, jumlah fins /  meter  315, transverse  pitch 0.022  m  dan longitudinal pitch sebesar 0.0254 m.
Kata  kunci — compact  heat  exchanger,  circular  tube, continuous fins, effectiveness, lube oil cooler.

## I. PENDAHULUAN
UPPLY energi  listrik  di  PT.  Energi  Mega  Persada tidak  dilakukan  oleh  pihak  PLN  tetapi  oleh  sumber pembangkit tenaga sendiri. Sistem pembangkit tenaga di perusahaan tersebut menggunakan jenis sistem pembangkit  tenaga  gas.  Saat  ini  PT.  Energi  Mega Persada  memiliki  6  unit  gas  turbin  yang  tersebar  di  2 lokasi. 2 unit turbin gas (GT 831 dan GT 832) berada di Lalang platform ( offshore ) dan 4 unit turbin gas (GT A, GT B, GT C, dan GT E) berada di Kurau process plant ( onshore ).  Daya  yang  dihasilkan  oleh  gas  turbin tersebut  mampu  untuk  memasok  kebutuhan  energi listrik  yang  digunakan  dalam  proses operational engineering .
Adapun  sebagai  pendukung  pusat  listrik  tenaga  gas ini digunakan beberapa alat bantu ( auxiliary
equipments )  untuk  membantu  proses  siklus  turbin  gas berjalan  dengan  baik,  seperti:  sistem  pelumas,  sistem bahan  bakar,  sistem  pendingin,  sistem  udara  kontrol, sistem  hidrolik,  dan  sistem  udara  tekan.  Bagi  sebuah pembangkit  listrik,  sistem  pelumasan  turbin  sangat diperlukan.  Fungsi  utama  minyak  pelumas  adalah sebagai pelumas pada bearing agar tidak terjadi kontak langsung  antara bearing dengan  poros.  Siklus  sistem pelumasan  pada  turbin  gas  adalah  siklus  tertutup,  yaitu pelumas  yang  telah  digunakan  didinginkan  kembali menggunakan lube  oil  cooler sebelum  masuk  kedalam turbin.  Pada  kondisi  operasional  didapatkan  bahwa temperatur oli keluar lube oil cooler masih cukup tinggi. Hal ini dapat menyebabkan turbin gas shut down . Selain itu juga mengakibatkan effectiveness perpindahan panas menurun.  Hal  tersebut  bisa  diakibatkan  oleh  adanya fouling maupun  desain  yang  kurang  optimum  dari lube oil cooler . Penelitian  tentang compact  heat  exchanger pernah dilakukan oleh beberapa peneliti. Diantaranya mengenai evaluasi  performa Flat  Finned  Tube  Fin  Heat Exchanger dengan  menggunakan  konfigurasi fins yang berbeda beradasarkan standard surface designation [1]. Pada  penelitian  ini  digunakan  variasi  laju  aliran  massa yang  berbeda  pada  sisi  fluida  dingin  dan  juga  fluida panas.  Dengan  variasi  konfigurasi fins dan  laju  aliran massa  fluida  dingin  (air)  sedangkan  laju  aliran  massa fluida  panas  (udara)  dijaga  konstan.  Didapatkan  bahwa dengan  semakin  tinggi  laju  aliran  massa  air  maka Reynolds  number sisi  fluida  dingin  juga  semakin meningkat.  Dengan  semakin  meningkat Reynolds number sisi  fluida  dingin  maka heat  transfer dan pressure  drops dari heat  exchanger tersebut  juga semakin  meningkat.  Selain  itu  juga  pernah  dilakukan penelitian  tentang  korelasi  perpindahan  panas  dan pressure drop untuk flat tube heat exchanger tipe wavy fin [2]  dengan  air  sebagai  fluida  panas  dan  udara sebagai fluida dingin dan dilakukan variasi fin pitch dan fin  height .  Semakin  meningkat fin  pitch dan fin  height pada Reynolds  number yang  sama  maka heat  transfer dan pressure drop juga meningkat.
Berdasarkan kondisi tersebut dan beberapa penelitian  sebelumnya,  maka  pada  penelitian  ini  akan dilakukan analisa performa lube oil cooler existing serta melakukan redesign dengan  cara  memvariasikan  laju aliran  massa  fluida  dingin  (udara)  dan surface designation  circular  tube,  continuous  fin berdasarkan standard compact heat exchanger [3] untuk meningkatkan effectiveness dari lube oil cooler .

## Re-Design Lube Oil Cooler pada Turbin Gas dengan Analisa Termodinamika dan Perpindahan Panas
Siti Duratun Nasiqiati Rosady dan Bambang Arip Dwiyantoro Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : bambangads@me.its.ac.id
S

## II. URAIAN PENELITIAN
Analisa  dalam  penelitian  ini  meliputi  analisa  kondisi existing ,  analisa  perancangan  ulang  ( redesign )  dan analisa performa lube oil cooler redesign.
1. Analisa kondisi existing Dalam  menganalisa lube  oil  cooler dibutuhkan control  volume dari  sistem.  Hal  tersebut  dilakukan untuk  mengevaluasi  performa  dan  melakukan redesign lube  oil  cooler.  Control  volume dari  sistem lube  oil cooler ditunjukkan oleh gambar 1 berikut:
Gambar 1. Control volume dari sistem lube oil cooler.
Dalam menganalisa kondisi existing diperlukan data operasi harian lube oil cooler . Data operasi harian yang digunakan  dalam  analisa  ditunjukkan  Tabel  1. dibawah ini:
Tabel 1. Data properties fluida dingin dan fluida panas Properties Fluida Dingin Fluida Panas Satuan (Udara) (Oli) Mass Flowrate 6.5 4.1 kg/s Temperature In 300 351.4 K Temperature Out 304.46 348 K Spesific Heat 1007 2118 J/kg.K Viscousity 1.87x10 -5 0.038 N.s/m 2 Thermal Conductivity 0.02673 0.138  W/m.K Density 1.1422 854.74 kg/m 3 Prandtl Number 0.7062 580.58
Selain  data properties diatas,  juga  dibutuhkan  data dimensi lube  oil  cooler  existing. Data  dimensi existing akan  digunakan  sebagai  pembanding  dengan  dimensi redesign dan  juga  digunakan  sebagai  batasan  yaitu panjang, lebar dan tinggi heat exchanger hasil redesign sama  dengan  kondisi existing. Data  dimensi lube  oil cooler existing ditunjukkan oleh Tabel 2.
Tabel 2. Data dimensi lube oil cooler.
2. Analisa perancangan ulang ( redesign ) Redesign lube oil cooler bertujuan untuk meningkatkan effectiveness perpindahan  panas  dengan memvariasikan surface  designation  circular  tubes, continuous  fin (ditunjukkan  pada  Tabel  3)  dan  laju aliran  massa  udara  divariasikan  4.5  kg/s,  5.5  kg/s,  6.5 kg/s dan 7.5 kg/s.
Tabel 3. Konfigurasi surface designation.
Surface Designation Satuan 8.0-3/8 T 7.75-5/8 T Tube arrangement Staggered Panjang tube 1.06 1.06 m Lebar 0.9 0.9 m Tinggi 0.16 0.16 m Tube diameter 0.01021 0.0171704 m Transverse tube spacing 0.02199 0.04445 m Longitudinal tube spacing 0.0254 0.0381 m Jarak antar fin 0.00317 0.0032766 m Fins/m 315 305 Hydraulic diameter 0.00363 0.0034798 m Fin thickness 0.00033 0.0004046 m Free-flow/frontal area 0.01356 0.0122174 m Heat transfer area/ total volume 587.27 554.46 m 2 /m 3 Fin area/ total area 0.913 0.95
Dalam  melakukan redesign  lube  oil  cooler dibutuhkan  beberapa  persamaan  dibawah  ini  untuk mendapatkan  dimensi  baru  yang  mampu  meningkatkan effectiveness perpindahan panas metode ∆ T LMTD
Tinjauan Perpindahan Panas Sisi Internal
T h h N D m    4 Re 
(1)
Sedangkan, untuk menghitung koefisien konveksi yang terjadi di dalam tube dapat dirumuskan sebagai berikut:
D k Nu h h h  (3)
3 / 1 5 4 Pr Re 023 . 0 h h h Nu  (4)
dengan:
Re h = Reynolds number sisi internal tube h h
= Koefisien konveksi internal tube (W/m 2 K) h Nu = Nusselt number sisi internal tube
h m  = Laju alir massa sisi internal tube (kg/s)
μ
= Viskositas fluida sisi internal tube
N T = Jumlah tube k = Konduktivitas thermal (W/K) P r
= Prandtl number sisi internal tube D = Diameter tube (m) Luasan perpindahan panas sisi internal tube dapat dirumuskan sebagai berikut :
DL N A T h   (5)
dengan:
A h = Luas perpindahan panas internal tube (m 2 ) D
= Diameter tube ( m )
L
= Panjang tube ( m ) Dimensi Nilai Satuan Tube arrangement Staggered Panjang 1.06 m Lebar 0.9 m Tinggi 0.16 m Tube diameter 0.019812 m Transverse tube spacing 0.0762 m Longitudinal tube spacing 0.0508 m Jumlah transverse tubes 3 tubes
Jumlah longitudinal tubes
18 tubes Jumlah tubes 54 tubes Control volume
Tinjauan Perpindahan Panas Sisi External Adapun  tahapan  perhitungan  yang  digunakan  untuk mendapatkan  luasan  perpindahan  panas  adalah  sebagai berikut:
Volume A c   (6)
dengan: A c = Luas perpindahan panas sisi external (m 2 )
Α = Rasio heat transfer area dengan total volume Persamaan  untuk  menghitung  bilangan reynolds adalah sebagai berikut:
 h GD  Re
(7)
Koefisien  konveksi  yang  terjadi  pada fins atau  daerah udara dingin dapat dirumuskan sebagai berikut :
3 2 r p H c P Gc j h  (8)
Untuk  mendapatkan  persamaan  tersebut,  maka  perlu didapatkan variabel penyusunya yaitu [3]:
fr c A m G    (9)
dengan: h c
= koefisien konveksi pada sisi fin (W/m 2 K) J h = Colburn J Faktor D h = Diameter hidrolik (m) Re = Reynolds number sisi fin σ        = Rasio antara Free Flow dengan Frontal Area A fr = Frontal Area (m 2 ) A ff = Minimum Free Flow Area (m 2 )
L = Panjang laluan aliran fluida (m)
3. Analisa performa lube oil cooler redesign Dimensi baru yang diperoleh dari redesign dianalisa performa menggunakan metode NTU. Analisa meliputi: o Heat capacity C h = ṁ h C p, h (10) C c = ṁ c C p, c (11) C c < C h C min = C c C max = C h C r = C min / C max (12)
o Effectiveness
Untuk mendefinisikan unjuk kerja suatu alat penukar panas  maka  perlu  diketahui  laju  perpindahan  panas maksimum ( q max ) yang dimiliki oleh alat penukar panas tersebut [4]. q max = C min ( T h,i – T c,i ) (13)
Effectiveness ( ) adalah perbandingan laju perpindahan  panas  sebenarnya  pada heat  exchanger dengan  laju  perpindahan  panas  maksimum  pada heat exchanger yang dimungkinkan.
Ɛ = q act / q max (14)
Effectiveness merupakan  bilangan  tanpa  dimensi yang  besarnya  antara  0 .  Untuk  semua heat exchanger  effectiveness dapat  dinyatakan  sebagai berikut.
(15)
dengan NTU  (Number  of  Transfer  Unit) merupakan bilangan  tanpa  dimensi  yang  didefinisikan  sebagai berikut [4]:
min C UA NTU  (16)

## III. ANALISA DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan  penelitian  ini  didapatkan  beberapa grafik  perbandingan  performa lube  oil  cooler terhadap geometri surface.
Gambar 2. Grafik Heat transfer actual fungsi Air side Reynolds number.
Gambar 2. menunjukkan variasi heat transfer actual dengan air  side  Reynolds  number setiap surface designation . Trend grafik  menunjukkan  semakin  besar Reynolds  number sisi  udara,  maka  semakin  besar  pula perpindahan  panas actual yang  terjadi.  Kedua  variasi surface  designation 8.0-3/8  T  dan  7.75-5/8  T mempunyai trend grafik yang sama. Surface designation 8.0-3/8  T  memiliki  perpindahan  panas actual maksimal  sebesar  80410.47  Watt pada Reynolds number udara ambient 2854.984,  Sedangkan  dengan surface designation 7.75-5/8 T dengan nilai perpindahan  panas actual maksimal  yang mampu dihasilkan  sebesar  75242.42  Watt  pada Reynolds number udara ambient 3169.566.  Pada Reynolds number yang  sama,  nilai heat  trasfer  actual 8.0-3/8  T lebih besar dari 7.75-5/8 T.
Surface designation 8.0-3/8 T mampu menghasilkan perpindahan  panas actual yang  lebih  besar  daripada 7.75-5/8  T  dikarenakan  8.0-3/8  T  memiliki  diameter tube yang  lebih  kecil  sehingga  dengan  volume heat exchanger yang  sama  maka  jumlah tube yang dibutuhkan akan lebih banyak. Semakin banyak jumlah tube maka  luasan  perpindahan  panas  sisi  fluida  panas akan  lebih besar.  Selain itu surface designation 8.0-3/8 T  juga  memiliki  tebal fin yang  lebih  kecil  sehingga jumlah fin yang  dibutuhkan  semakin  banyak.  Hal tersebut  menyebabkan  luas  perpindahan  panas  sisi fluida  dingin  juga  lebih  besar.  Besarnya heat  transfer actual berbanding lurus dengan luas perpindahan panas. Dengan  luasan  perpindahan  panas  yang  lebih  besar, maka  proses  perpindahan  panas  dari  oli  ke  udara  akan semakin  baik.  Oleh  karena  itu  8.0-3/8  T  menghasilkan nilai heat transfer actual yang lebih besar.
Gambar 3. Grafik temperatur keluar oli fungsi air side Reynolds number.
Gambar  3.  diatas  merupakan  grafik  temperatur keluar  oli  setiap surface  designation terhadap air  side Reynolds  number . Trend grafik  menunjukkan  semakin besar  laju  aliran  massa  udara,  semakin  besar air  side Reynolds  number, maka  temperatur  keluar  oli  semakin menurun.  Pada  kedua  variasi surface  designation 8.0- 3/8  T  dan  7.75-5/8  T  mempunyai trend grafik  yang sama.  Variasi  8.0-3/8  T  mampu  menghasilkan temperatur keluar oli paling rendah sebesar 342.1402 K pada laju aliran massa udara 7.5 kg/s. Sedangkan variasi 7.75-5/8  T  mampu  menghasilkan  temperatur  keluar  oli paling  rendah  sebesar  342.74  K  pada  laju  aliran  massa udara udara 7.5 kg/s. Pada Reynolds number yang sama, 8.0-3/8 T menghasilkan temperatur keluar oli yang lebih rendah dibandingkan 7.75-5/8 T.
Temperatur  keluar  oli  merupakan  selisih  dari temperatur  masuk  oli  dikurangi  dengan  rasio heat transfer  actual/  heat  capacity .  Pada  temperatur  masuk oli  dan heat  capacity yang  sama,  ketika heat  transfer actual besar  maka  temperatur  keluar  oli  akan  semakin menurun. Pada pembahasan grafik sebelumnya menunjukkan  bahwa heat  transfer  actual 8.0-3/8  T lebih  besar  dibandingkan  7.75-5/8  T. Heat  transfer actual yang  besar  menunjukkan  bahwa  terjadi  proses pertukaran  panas  yang  baik  dari  fluida  panas  (oli)  ke fluida  dingin  (udara). Oleh  karena  itu surface designation 8.0-3/8 T mampu menghasilkan temperatur keluar oli yang lebih rendah.
Gambar 4. Grafik effectiveness fungsi air side Reynolds number.
Gambar 4. merupakan grafik effectiveness fungsi air side  Reynolds  number.  Trend grafik  menunjukkan
semakin  besar  laju  aliran  massa  udara,  semakin  besar air  side  Reynolds  number, maka effectiveness juga semakin  meningkat.  Kedua  variasi surface  designation 8.0-3/8 T dan 7.75-5/8 T mempunyai trend grafik yang sama.  Variasi  8.0-3/8  T  mampu  menghasilkan effectiveness maksimal  sebesar  29%  pada  laju  aliran massa  udara  7.5  kg/s.  Sedangkan  variasi  7.75-5/8  T mampu  menghasilkan effectiveness maksimal  sebesar 27%  pada  laju  aliran  massa  udara  udara  7.5  kg/s.  Pada Reynolds  number yang  sama,  8.0-3/8  T  menghasilkan effectiveness yang lebih besar dibandingkan 7.75-5/8 T. Pada  dua  grafik  sebelumnya  telah  ditunjukkan  dan dibahas  bahwa surface  designation 8.0-3/8  T  mampu menghasilkan  perpindahan  panas actual yang  lebih besar  daripada  7.75-3/8  T.  Sehingga effectiveness yang dihasilkan 8.0-3/8 T juga lebih besar.
Gambar 5. Perbandingan Temperatur keluar oli existing dan redesign.
Gambar  5.  diatas  menunjukkan  perbandingan temperatur keluar oli existing dan redesign terhadap air side  Reynolds  number. Berdasarkan  grafik  tersebut terlihat  bahwa lube  oil  cooler  existing mampu menghasilkan  temperatur  keluar  oli  sebesar  348.04  K pada laju aliran massa udara ambient 6.5 kg/s atau pada air  side  Reynolds  number 2908.25.  Sedangkan  untuk hasil redesign pada  laju  aliran  massa  yang  sama  6.5 kg/s, temperatur keluar oli yang dihasilkan lebih rendah yaitu  342.7  K  untuk surface  designation 8.0-3/8  T  dan 343.5 K untuk surface designation 7.75-5/8 T. Temperatur  keluar  oli redesign yang  lebih  rendah karena  diameter tube yang  digunakan  untuk  tipe circular  tubes,  continuous  fins berdasarkan  standard compact  heat  exchanger lebih  kecil  dibandingkan existing sehingga  dengan  volume  yang  sama,  maka jumlah tube yang  dipasang  akan  lebih  banyak dibandingkan existing untuk  kedua surface  designation redesign akibatnya luasan perpindahan panas akan lebih besar.  Semakin  besar  luasan  perpindahan  panas  maka heat transfer actual juga semakin besar.
Gambar 6. Perbandingan effectiveness existing dengan redesign.
Gambar  6.  diatas  menunjukkan  perbandingan effectiveness existing dengan redesign fungsi number of transfer  unit (NTU) . Pada  laju  aliran  massa  yang  sama yaitu  6.5  kg/s, effectiveness  existing sebesar  0.136 dengan  NTU  0.25.  Sedangkan  hasil redesign untuk surface  designation 7.75-5/8  T effectiveness sebesar 0.27  pada  NTU  0.35.  Sedangkan  untuk surface designation 8.0-3/8  T effectiveness sebesar  0.28  pada NTU 0.38. Nilai effectiveness redesign yang meningkat dikarenakan heat transfer actual yang terjadi pada lube oil cooler meningkat dari existing . Karena effectiveness merupakan  perbandingan heat  transfer  actual dengan heat  transfer  maximal yang  mampu  dihasilkan heat exchanger, dengan  nilai heat  transfer  maximal yang konstan  maka effectiveness hanya  fungsi  dari heat transfer  actual yang  dihasilkan.  NTU  merupakan  rasio antara overall  heat  transfer  coefficient (UA)  dan C min, karena  luasan  perpindahan  panas redesign lebih  besar dari  kondisi existing maka  UA  juga  meningkat.Oleh karena  itu  NTU redesign lebih  besar  dibandingkan existing .

## IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari  hasil  perancangan Lube  Oil  Cooler dengan metode  Δ T LMTD dan  NTU  dengan  variasi surface designation  circular  tubes,  continuous  fins dan mass flowrate dari udara ambient maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Berdasarkan  analisa  performa existing  lube  oil cooler didapatkan nilai effectiveness 0.136 (13.6%). 2. Dengan surface  designation 8.0-3/8  T,  performa maksimal  terjadi  pada  laju  aliran  massa  udara  7.5 kg/s  yaitu heat  transfer  actual 80410.47  watt , temperatur  keluar  oli  342.14  K, effectiveness 29% , NTU 0.43, dan UA 3247.575 W/K. 3. Dengan surface  designation 7.75-5/8  T,  performa maksimal  terjadi  pada  laju  aliran  massa  udara  7.5 kg/s  yaitu heat  transfer  actual 2643.375  watt , temperatur  keluar  oli  342.73  K, effectiveness 27% , NTU 0.35, dan UA 2643.375 W/K.
4. Berdasarkan  batasan-batasan  yang  telah  ditentukan, maka  dari  perhitungan  dipilih  hasil redesign yang sesuai  yaitu surface  designation 8.0-3/8  T  dengan laju aliran massa udara 7.5 kg/s.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bambang Arip  Dwiyantoro,  ST.  M.  Eng.  Ph.D.  sebagai  dosen pembimbing dan Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng, Dr. Ir. Budi Utomo K. W, ME, Ary Bachtiar K. P. ST. MT.  Ph.D.  sebagai  dosen  penguji  atas  bimbingan  dan arahannya  dalam  proses  penyusunan  tugas  akhir  dan jurnal ilmiah ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Rathod, M. K., et al, Performance evaluation of flat finned tube fin heat  exchanger  with  different  fin  surfaces ,  Applied  Thermal Engineering 27 (2007) 2131–2137.
[2]  Junqi,  Dong,  et  al, Heat  transfer  and  pressure  drop  correlations for the wavy fin and flat tube heat exchangers ,  Applied  Thermal Engineering 27 (2007) 2066–2073.
[3]  Kays,  W.M.,  London,  A.L.  1964. Compact  Heat  Exchanger Second Edition . New York: Mc Grow Hill Book Company.
[4] Incropera, Frank P., et al. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer Sixth Edition. New York: John Wiley & Sons Inc.