BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Landasan Teori Torque Converter adalah suatu komponen power train yang bekerja secara hidrolis. Prinsip kerja dari torque converter adalah merubah tenaga mekanis dari engine menjadi energi kinetis (oil flow) dan merubahnya lagi menjadi tenaga mekanis pada shaft output-nya. Sumber: http://www.oilworksinc.com/wp-content/uploads/2014/07/owi-torque-converter2-400x500.jpg Gambar 2. 1 Torque Converter C-300 5
Sedangkan fungsi Torque Converter adalah Sebagai kopling otomatis (automatic clutch) untuk meneruskan engine torque ke input transmisi. Meningkatkan (multiflies) torque yang dibangkitkan oleh engine. Meredam getaran puntir (torsional vibration) dari engine dan drive train. Meratakan (smoothes) putaran engine. 2.1.1 Komponen Torque Converter C-300-OWI Torque converter mempunyai beberapa komponen penting yang mempunyai peranan masaing masing untuk mentransmisikan daya engine ke output shaft. Sumber: Inter-American Oil Works, Ltd. Torque Converter Model C-300-Owi. Part Manual Gambar 2. 2 Komponen Torque Converter NO DISKRIPSI 1 Shaft Output 2 Nut Bearing Lock 3 Washer Bearing Lock 4 Seal 5 Cap Bearing 6 Screw Hex Head Cap 7 Washer Std 8 Pin Std 9 Shim Front 10 Shim Front 11 Shim Front 12 Mount Stator 13 Bearing 14 Carrier 15 Ring Seal 5-3/4 16 Ring Seal 8 17 Carrier 18 Sprocket & Bearing Box 19 Screw (1/2 x 1-3/4 ) 20 Washer 21 Bearing 22 Ring Retaining 23 Stator 24 Pump & Drive Impeller 25 Turbine & Hub 26 Bearing 27 Screw ( 5/8 x 2 ) 28/29 Shim Rear 30 Shim Rear 31 Plate Bearing Retainer 32 Key 33 Bolt Place 34 Dowel Std 35 Plate Retaining 36 Sprocket & Bearing Box 6
A. Komponen utama torque converter antara lain: Impeller Pump Drive Impeller Pump Drive disatukan dengan converter case dan converter case dihubungkan ke flywheel melalui drive plate, hal ini berarti pump impeller akan berputar saat poros engkol berputar. Pump impeller berfungsi untuk melemparkan fluida ke turbine runner untuk memutar turbine runner. Pump impeller terdiri dari vane dan guide ring. Guide ring berfungsi untuk memberikan celah yang memperlancar aliran minyak. Turbine runner Turbine runner dihubungkan dengan shaft output hal ini berarti turbine runner berfungsi untuk menerima lemparan fluida dari pump impeller dan menggerakkan shaft output. Turbine runner terdiri dari vane dan guide ring. Arah vane pada turbine runner berlawanan dengan vane pump impeller. Stator Stator ditempatkan di tengah-tengah antara impeller pump drive dan turbine runner, dan pada poros stator yang diikatkan pada shaft output. Stator berfungsi untuk mengarahkan fluida dari turbine runner agar menabrak bagian belakang vane pump impeller, sehingga memberikan tambahan tenaga pada pump impeller. 7
B. Komponen pendukung kinerja torque converter Circulating Oil Pump Circulating oil pump ( pompa oli ) adalah merupakan bagian penting dari torque converter, karena pompa oli ini memeiliki fungsi sebagai membangkitkan tekanan hidrolik pada saat torque converter bekerja ( memindahkan daya ) tekanan pada pompa bervariasi tergantung beban yang di terimanya yaitu antara 15 psi sampai 20 psi. Berikut adalah gambar Circulating Oil Pump Sumber: Inter-American Oil Works, Ltd. Torque Converter Model C-300-Owi. Part Manual Gambar 2. 3 Circulating Oil Pump 1. Nut bearing 2. Lock bearing 3. Bearing 4. Ring 5. Oil seal 6. Sproket 7. Shaft pump 8. Cover front 9. Hole bolt 10. Bolt soc cap 11. Cover rear 12. Impeller pump 13. Ring 14. Lock key 15. Screw 16. Screen 20. Lock key 8
Pressure Control Valve Pressure Control Valve berfungsi sebagai pengontrol batas tekanan yang ada di dalam system sirkulasi torque converter, jika terjadi tekanan oli yang berlebihan yang di akibatkan saringan oli tersumbat, maka piston akan terdorong sehingga oli dapat bersirkulasi tanpa harus melewati saringan oli. Sumber: Inter-American Oil Works, Ltd. Torque Converter Model C-300-Owi. Part Manual Gauge Assembly Gambar 2. 4 Pressure Control Valve Ada 2 buah alat ukur yang ada di torque converter sebagai indikator yaitu oil temperature guage yang berfungsi mengetehui suhu oli pada saat bekerja dan oil pressure gauge berfungsi untuk mengetahui tekanan oli yang bekerja pada torque converter. 9
Sumber: Inter-American Oil Works, Ltd. Torque Converter Model C-300-Owi. Part Manual Gambar 2. 5 Gauge Assembly Idler Assembly Idler Assembly adalah sebuah komponen yang berfungsi sebagai adjuster rantai yang menghubungkan antara turbin runner dan pompa oli, sehinggakerja dari pada pompa oli tersebut bias maksimal terhadap putaran turbin runner. Sumber: Inter-American Oil Works, Ltd. Torque Converter Model C-300-Owi. Part Manual Gambar 2. 6 Idler Assembly 10
Oil Cooler ( Heat Exchanger ) Oil cooler sendiri berfungsi sebagai pendingin atau penukar panas oil converter sehingga dapat bekerja secara normal. Sumber : water / oil heat exchangerindustri www.directindustri.com Gambar 2. 7 Oil cooler 2.2 Oil Cooler ( Heat Exchanger ) Oil cooler ( Heat Exchanger ) shell and tube adalah alat penukar panas yang di gunakan dalam system pendinginan torque converter tipe C-300-OWI. Karena media pendingin yang di gunakan adalah air, maka yang di gunakan adalah type shell and tube baik air dari sirkulasi engine maupun air yang di siapkan secara terpisah dengan tangki air. 2.2.1 Klasifikasi Heat Exchanger Ada beberapa klasifikasi heat exchanger yang digunakan dalam dunia industri, baik heat exchanger tipe shell and tube, plate and frame heat exchanger, double pipe 11
heat exchanger dan lain sebagainya. Oleh karena itu klasifikasi yang di gunakan adalah heat exchanger type shell and tube. A. Klasifikasi heat exchanger type shell and tube berdasarkan TEMA Begitu banyak alat penukar panas yang di gunakan dalam dunia industry, salah satunya adalah shell and tube. Sehingga untuk mengklasifikasikannya sangat sulit, oleh karena itu TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Association) mengelompokkan alat penukar panas berdasarkan penggunaanya menjadi 3 kelompok atau kelas, yaitu : a) Kelas R TEMA kelas R menentukan persyaratan desain dan fabrikasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang ada dilingkungan migas seperti refinery, oil field dan industri terkait lainnya. Kelas R umumnya dipilih untuk aplikasi dimana daya tahan dan faktor keamanan menjadi faktor utama. b) Kelas C TEMA kelas C menentukan persyaratan desain dan fabrikasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang berada dilingkungan layanan komersial dan industri proses umum dengan tekanan dan temperatur sedang serta fluida yang relatif tidak korosif. c) Kelas B TEMA kelas B menentukan persyaratan desain dan fabrikasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang berada pada proses industri kimia dimana banyak terdapat proses kimia,zat yang korosif dan fluida dengan suhu yang tinggi dan menggunakan alloy material construction. Kelas B mirip dengan Kelas R 12
sehubungan dengan persyaratan desain, tetapi lebih mendekati kelas C sehubungan dengan ketebalan minimal dan corrosion allowance. B. Klasifikasi berdasarkan fungsinya Klasifikasi alat penukar panas berdasarkan fungsinya dapat dibedakan antara lain menjadi : a) Heat Exchanger adalah alat penukar panas dengan memanfaatkan suhu fluida untuk memanaskan fluida yang lain atau mendinginkan fluida panas dan memanaskan fluida dingin. b) Cooler adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk mendinginkan fluida cair atau gas dengan air sebagai media pendingin dan tanpa ada perubahan fase. c) Heater adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk memanaskan fluida dalam proses,media panas yang digunakan adalah steam atau fluida panas lainnya. d) Chiller adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk mendinginkan fluida pada temperature sangat rendah, media pendingin yang digunakan adalah amoniak. e) Condenser berfungsi untuk mendinginkan atau mengembunkan uap atau campuran uap menjadi cair, media pendingin yang digunakan adalah air. f) Evaporator adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk mengubah uap cair menjadi uap pekat atau cair, media yang digunakan adalah udara. g) Reboiler adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk memanaskan atau mendidihkan kembali (reboil) dan menguapkan sebagian cairan yang diproses, media yang digunakan adalah steam atau fluida panas yang sedang diproses itu sendiri. 13
Sumber : Shell and tube heat exchanger. Mukherjee, Rajive.Engineers India Ltd. Gambar 2. 8 Bagian Heat Exchanger berdasarkan TEMA 2.3 Bagian Utama Dari Heat Exchanger Type Shell and Tube Pada gambar dibawah ini merupakan suatu gambar ilustrasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang diberi nomor dan keterangan untuk memberikan persamaan dan menstandarkan istilah dari heat exchanger tipe shell and tube. Sumber: http://www.thermopedia.com/content/946/ Gambar 2. 9 Bagian bagian shell and tube 14
1. Tube 2. Channel partition plates. 3. Shell baffles. 4. Tie rods. 5. Shell barrel 6. Channel barrel 7. Dished heads 8. Flate heads 9. Nozzles. 10. Flanges. 11. Tubesheets 12. Expansion bellows Berikut beberapa bagian yang penting dari alat penukar panas tipe shell and tube, dengan fungsi masing-masing, yaitu : 1. Pipa ( Tube ) Pipa ( Tube ) berfungsi untuk pembatas antar fluida agar tidak terjadi kontak langsung sekaligus sebagai penghantar panas pada alat penukar panas. Pipa yang dipasang pada tube sheet mempunyai susunan tertentu diantaranya : Square pitch Diamond square pitch Inline triangular pitrch Triangular pitrch Sumber : http://www.hydrocarbonprocessing.com/article/2728963/optimize-heat-exchangerinstallations.html Gambar 2. 10 Susunan Tube pada Tube Sheet 15
2. Shell Baffle Baffle plate berfungsi sebagai penyangga tube, menjaga jarak antar masingmasing tube, menahan fibrasi yang ditimbulkan oleh tekanan dan suhu fluida. Disamping itu juga sebagai pengatur arah aliran fluida pada shell side. Ada beberapa macam baffle yang digunakan, diantaranya adalah single segmental baffles, double segmental baffles, dan triple segmental baffles. Sumber : http://image.slidesharecdn.com/pptpapsthemulti-140822021301-phpapp01/95/shell-and-tubeheat-exchanger-12-638.jpg?cb=1408673631 Gambar 2. 11 Jenis jenis Baffles Plate 3. Shell dan cover shell Shell berfungsi untuk mendapatkan ruangan shell side dan menahan tekanan kerja fluida yang mengalir didalamnya. Disamping itu juga untuk menempatkan dan mengikat tube sheet dan shell sheet baffle sehingga kokoh didalam shell. Sedang shell cover adalah penutup bagian belakang dari shell. 16
4. Tie rod and spacer Tie rod dan spacer digunakan untuk mengikat sistem baffle menjadi satu dan tetap pada posisinya, secara umum fungsi dari tie rod dan spacer adalah : Mempertahankan jarak diantara kedua tube sheet. Mempertahankan jarak antar baffle plate. Menjaga dan mempertahankan sambungan tube, agar tidak mengalami perubahan bentuk sewaktu diadakan pengangkatan atau pengeluaran tube bundle untuk perbaikan. 5. Channel dan channel cover Channel biasanya dibuat dengan menggunakan material pelat yang dirol dengan ujung-ujungnya dilas dengan pengelasan penuh, didalam channel terdapat pass partition yang berfungsi untuk membagi aliran. Sedangkan channel cover adalah penutup dari channel. 6. Nozzle Nozzle berfungsi untuk koneksi aliran masuk dan aliran keluar pada shell dan tube, nozzle pada shell disebut shell nozzle dan nozzle pada tube disebut tube nozzle. 7. Tube sheet connection Tube sheet merupakan tempat dudukan tube-tube pada ujungnya, tube sheet dibuat tebal dan tube harus terpasang tanpa bocor pada tube sheet ini. Terdapat dua jenis tube sheet, yaitu : fixed tube sheet dan floating tube sheet. 17
2.4 Kerusakan Yang Terjadi Akibat Over Heat Komponen Toeque Converter yang mengalami kerusakan akibat dari over heat adalah sebagai berikut, A. Kerusakan terjadi pada dudukan turbin stator karena keausan bearing, seperti terlihat pada gambar 2.12 Sumber : Dokumen Pribadi Gambar 2. 12 Stator B. Keausan terjadi juga pada seal yang bias mengakibat kan kebocoran pada tekanan sehingga perpindahan tenaga menurun. Berikut adalah bearing dan seal yang mengalami keausan, seperti terlihat pada gambar 2.13 18
Sumber : Dokumen Pribadi Gambar 2. 13 Seal and bearing Torque Converter 2.5 Cara Perpindahan Panas Perpindahan panas konduksi dapat berlangsung pada zat padat, cair dan gas. Adapun untuk menghitung perpindahan panas konduksi dapat dipergunakan rumus berdasarkan hukum Fourier (http://id.wikipedia.org/wiki/konduksi_panas) yaitu :... ( 1 ) Dimana : Q = Jumlah aliran panas (Joule) K = Koefisien daya hantar panas (W/m 2. o C) A = Luas bidang perpindahan panas (m 2 ) T = Temperatur ( o C) X = jarak, atau tebal aliran panas (m) 19
Perpindahan panas konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang terjadi dari satu benda ke benda yang lain dengan perantaraan benda itu sendiri. Perpindahan panas konveksi ada 2 macam yaitu konveksi paksa dan konveksi alami. Konveksi alami adalah perpindahan molekul molekul di dalam zat yang dipanaskan karena adanya perbedaan density. Untuk menghitung perpindahan panas secara konveksi bebas dapat digunakan rumus yaitu :...( 2 ) Dimana : Q = Jumlah aliran panas (Joule) h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 o C) A = Luas bidang perpindahan panas (m 2 ) T = Temperatur ( o C) Harga dari h dipengaruhi oleh kekasaran, temperatur, densitas, viskositas, dan panas konveksi paksa yaitu perpindahan panas konveksi yang berlangsung dengan bantuan tenaga lain, misalnya adalah udara yang dihembuskan di atas plat oleh kipas. Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas dari suatu benda ke benda lain dengan bantuan gelombang elektromagnetik,dimana energi ini akan diubah menjadi panas jika energinya diserap oleh benda yang lain. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan dapat digunakan rumus sebagai berikut :...( 3 ) Dimana : 20
Q = Jumlah aliran panas (Joule) e = emisivitas (0 s/d 1) σ = Konstanta proporsionalitas 5,669 x 10-8 (W/m 2 K 4 ) A = Luas bidang perpindahan panas (m 2 ) T = Temperatur (K) 2.6 Menghitung balance energy sisi shell Menghitung balance energy dengan persamaan dibawah ini, sebelum menghitung jumlah tube, kita harus mencari terlebih dahulu nilai Qh yaitu energi panas yang dilepaskan oleh turbin oil, dengan persamaan dibawah ini :....(2.1) : Energy panas yang dilepaskan oleh turbin oil ( J/s ) : Laju aliran pada turbin oil ( kg/s ) : Panas jenis pada turbin oil ( J/kg-K ) : Temperature masuk pada turbin oil ( o K ) : Temperature keluar pada turbin oil ( o K ) Sehingga energy panas yang dilepaskan oleh turbin oil, sama dengan energi yang diterima oleh air. Qh = Qc 21
2.7 Menghitung besarnya temperatur air keluar Dapat di hitung dengan persamaan dibawah ini : (2.2) : Energi panas yang diterima oleh air ( J/s ) : Temperature masuk air ( K ) : Laju aliran air ( kg/s ) : Panas jenis pada air ( J/kg-K ) 2.8 Menghitung temperature rata rata logarithmic (LMTD) Dengan persamaan dibawah ini :.....(2.3).....(2.4).....(2.5)... (2.6) : Temperatur rata-rata shell dan tube : Temperatur rata-rata counter flow : Temperatur keluar air ( K ) : Temperatur masuk air ( K ) : Temperatur keluar turbin oil ( K ) 22
: Temperatur masuk turbin oil ( K ) : Faktor koreksi 2.9 Besarnya area perpindahan panas pada tube Dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :..(2.7) : Luas area perpindahan panas. Energi panas yang diterima oleh air ( J/s ) Koefisien perpindahan panas didalam tube ( ) Temperature rata-rata ( K ) 2.10 Besarnya luas penampang satu tube Dapat di hitung dengan menggunakan persamaan :... (2.8) Diketahui : : Luas penampang pada satu tube : Diameter dalam tube ( m ) 2.11 Besarnya bilangan Reynolds di sisi tube Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.9) 23
Re : Bilangan Reynolds di sisi tube : Massa jenis air ( kg/m 3 ) : Kecepatan rata-rata aliran dalam tube ( m/s ) di : Diameter dalam tube ( m ) : Viskositas dinamik air ( Ns/m 2 ) 2.12 Besarnya koefisien gesekan di dalam tube Dapat dihitung dengan persamaan:...(2.10) f : Koefisien gesekan di dalam tube Re : Bilangan Reynolds 2.13 Besarnya bilangan nusselt tube Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.11) : Bilangan Nusselt tube f : Koefisien gesekan Re : Bilangan Reynolds Pr : Bilangan Prandtl 24
2.14 Besarnya koefisien konveksi di dalam tube Dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:...(2.12) : Koefisien konveksi di dalam tube : Bilangan Nusselt tube : Diameter dalam tube ( m ) : Konduktifitas thermal air ( W/mK ) 2.15 Besarnya luas penampang di sisi shell Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.16) : Jumlah tube koreksi : Diameter shell ( m ) : Pitch tube : Baffles 2.16 Besarnya bilangan Reynolds di sisi shell Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.17) 25
: Bilangan Reynolds : Laju aliran turbin oil ( ) : Luas penampang aliran sisi shell ( ) : Viskositas dinamik turbin oil ( ) : Diameter luar tube ( m ) 2.17 Besarnya bilangan nusselt di sisi shell Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.18) : Bilangan Nusselt di sisi shell : Bilangan Reynolds di sisi shell : Bilangan Prandt turbin oil 2.18 Besarnya koefisiensi konveksi di sisi shell Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.19) : Koefisien konveksi di sisi shell : Bilangan Nusselt di sisi shell : Konduktifitas termal turbin oil ( ) : Diameter luar tube ( m ) 26
2.19 Koefisien perpindahan panas bersih Dapat dihitung dengan persamaan :...(2.20) : Koefisien perpindahan panas bersih : Diameter luar tube ( m ) : Diameter dalam tube ( m ) : Konduktifitas termal air ( ) : Koefisien konveksi di dalam tube ( ) : Koefisien konveksi di sisi shell ( ) 27