Evaluasi Performa Lube Oil Cooler pada Turbin Gas dengan Variasi Surface Designation dan Reynolds Number Siti Duratun Nasiqiati Rosady 1), Bambang Arip Dwiyantoro 2) 1) Program Studi Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya 2) Program Studi Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya e-mail: nasiqiati.rosady@gmail.com ABSTRAK Lube oil cooler merupakan salah satu kelengkapan sistem pelumasan pada pembagkit listrik tenaga gas. Lube oil cooler berfungsi untuk mendinginkan temperatur lube oil yang telah membawa energi panas dari gesekan-gesekan komponen turbin gas. Jenis heat exchanger dari lube oil cooler adalah compact heat exchanger tipe circular tubes, continuous fins dengan arah aliran cross flow yang memindahkan panas lube oil ke udara sekeliling dengan proses konveksi paksa udara yang dihisap oleh fan. Karena pentingnya peran lube oil cooler pada sistem pelumasan turbin gas, sehingga dibutuhkan heat exchanger yang memiliki performa baik. Setelah dilakukan analisa performa existing, lube oil cooler memiliki effectiveness 13,6%. Sehingga dibutuhkan desain heat exchanger baru yang mampu meningkatkan effectiveness lube oil cooler. Metode evaluasi performa lube oil cooler dilakukan dengan memvariasikan surface designation circular tubes, continuous fins sesuai standard compact heat exchanger dan laju aliran massa udara juga divariasikan. Parameter yang konstan adalah volume ruang penempatan heat exchanger, laju aliran massa oli, temperature masuk oli dan udara. Evaluasi performa meliputi perhitungan luasan perpindahan panas, heat transfer actual, temperature keluar oli dan udara, serta effectiveness perpindahan panas. Berdasarkan hasil perancangan yang telah dilakukan, dipilih hasil redesign yang sesuai yaitu surface designation 8.0-3/8 T dengan laju aliran massa udara 7,5 kg/s dengan effectiveness meningkat menjadi 29%. Kata kunci: Compact Heat Exchanger, Circular Tube, Continuous Fins, Effectiveness, Lube Oil Cooler. ABSTRACT Lube oil cooler is one of the completeness of the lubrication system gas power plant. Lube oil cooler serves to cool the temperature of lube oil which has brought the heat energy from the friction of gas turbine components. Type heat exchanger of lube oil cooler is compact heat exchanger type of circular tubes, continuous fins with the direction of flow of the cross flow heat transfer lube oil into the ambient air by forced convection process air is sucked by the fan. Because of the important role of lube oil cooler on a gas turbine lubrication system, so it takes a heat exchanger that has a good performance. After analysis of existing performance, lube oil cooler has a 13.6% effectiveness so we need a new heat exchanger design that can improve effectiveness lube oil cooler. Method of lube oil cooler performance evaluation is done by varying the surface designation circular tubes, continuous fins as standard compact heat exchangers and air mass flow rate also varied. Constant parameter is the volume of the placement of the heat exchanger, the mass flow rate of the oil, inlet temperature of oil and air. Performance evaluation includes the calculation of the extent of heat transfer, heat transfer actual, outlet temperature of oil and air, and the heat transfer effectiveness. Based on the results of design that has been done, selected the appropriate redesign results that designation surface 8.0-3 / 8 T with the air mass flow rate of 7,5 kg/s with effectiveness increased to 29%. Keywords: Compact Heat Exchanger, Circular Tube, Continuous Fins, Effectiveness, Lube Oil Cooler. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari 2015 171
Pendahuluan Lube oil cooler merupakan salah satu auxiliary equipments pada sistem pelumasan (lubrication system) pembangkit listrik tenaga gas (PLTG). Sistem pelumasan berfungsi untuk mendinginkan temperatur lube oil yang telah membawa energi panas dari gesekan-gesekan komponen turbin gas. Tipe heat exchanger dari lube oil cooler adalah compact heat exchanger tipe circular tubes, continuous fins dengan arah aliran cross flow yang menukarkan panas lube oil dari komponenkomponen turbin gas dengan temperatur udara lingkungan melalui konveksi paksa oleh fan. Temperatur lube oil sebelum masuk turbin gas harus sesuai dengan kondisi temperatur yang diijinkan yaitu dibawah 170 F (76,67 o C). Jika dalam operasinya temperatur lube oil lebih besar atau sama dengan 170 F, maka indikator alarm akan berbunyi hingga pada temperatur lube oil 180 F (82,2 o C) secara otomatis engine akan shutdown. Pada kondisi operasi normal, temperatur lube oil berkisar 130 F-160 F (54,4-71,1 o C) untuk proses pendinginan dan pelumasan. Pada kondisi operasional didapatkan temperatur lube oil sebelum masuk turbin gas sebesar 78,25 o C (diatas batas temperatur ijin). Hal tersebut diakibatkan oleh adanya fouling maupun desain yang kurang optimum dari lube oil cooler untuk proses pendinginan dan pelumasan. Beberapa penelitian tentang compact heat exchanger telah dilakukan. Diantaranya tentang evaluasi performa Flat Finned Tube Fin Heat Exchanger dengan menggunakan konfigurasi fins yang berbeda beradasarkan standard surface designation (Rathod et al, [4]). 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 (Junqi et al, [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 pada lube oil cooler dengan cara memvariasikan laju aliran massa fluida dingin (udara) dan surface designation circular tube, continuous fin berdasarkan standard compact heat exchanger (Kays dan London,[3]) untuk meningkatkan effectiveness dari lube oil cooler. Metode Penelitian Perancangan lube oil cooler pada penelitian ini berdasarkan analisa termodinamika dan perpindahan panas. Analisa tersebut meliputi analisa kondisi existing, analisa perancangan ulang (redesign) dan analisa performa lube oil cooler redesign. Sistem pelumasan pada turbin gas memiliki sistem pelumasan yang terdiri dari tiga lube oil cooler yang tersusun secara seri seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Namun karena spesifikasi lube oil cooler (model, tube arrangement, jenis fin, dan daya motor) dari ketiga cooler adalah sama, maka analisa hanya dilakukan pada satu cooler dan hasilnya dapat diterapkan pada kedua cooler yang lain. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari 2015 172
Gambar 1. Susunan tiga lube oil cooler dan model analisa Analisa kondisi existing Perhitungan performa existing Lube Oil Cooler ini bertujuan untuk mendapatkan performa saat ini yang nantinya akan dibandingkan dengan hasil perancangan. Performa existing meliputi effectiveness dan Number of Transfer Unit (NTU). Besarnya effectiveness merupakan rasio antara laju panas actual yang dihasilkan dengan laju panas maksimal yang mampu dihasilkan oleh lube oil cooler. Sedangkan NTU merupakan parameter tak berdimensi yang digunakan untuk analisa heat exchanger (Incropera, Frank P., et al, [4]). Gambar 2. Grafik NTU-ε untuk kondisi existing Dengan melakukan perhitungan effectiveness (Rosady, et al, [5]), diperoleh nilai effectiveness lube oil cooler existing sebesar 0,136 artinya kemampuan existing lube oil cooler dalam mentransfer panas dari minyak pelumas ke udara hanya 13,6% dari perpindahan panas maximal yang mampu dihasilkan. Untuk menentukan parameter yang akan di variasikan agar dapat meningkatkan effectiveness maka besarnya effectiveness di plot pada grafik NTU-ε untuk Effectiveness of single pass, cross flow heat exchanger with both fluids unmixed (Incropera, Frank P., et al, [4]) pada Cr = 0,75 dan Ɛ = 0,136 yang ditunjukkan pada gambar 2 dan diperoleh NTU = 0,25. Karena effectiveness masih rendah, akan ditinjau bila laju aliran massa udara dinaikkan menjadi dua kalinya disebabkan ada dua variabel yang tidak diketahui yaitu overall heat transfer coefficient (U) dan heat capacity rasio (Cr). setelah dilakukan perhitungan effectiveness dengan meningkatkan laju aliran massa udara, didapatkan hasil sebagai berikut. Dengan memperbesar laju aliran massa udara maka nilai effectiveness semakin menurun menjadi 0,065 (6,5%). Effectiveness merupakan fungsi NTU dan Cr, NTU merupakan rasio dari UA/ Cmin sedangkan Cr merupakan perbandingan dari Cmin/Cmax. Artinya peningkatan Cmin memiliki pengaruh yang lebih dominan dibandingkan dengan U terhadap NTU. Semakin besar Cmin maka akan memperbesar rasio Cr, semakin besar nilai Cr maka akan menurunkan nilai effectiveness. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari 2015 173
Oleh karena itu dilakukan redesign dengan memvariasikan laju aliran massa udara dan variasi surface designation dari circular tubes, continuous fins. Analisa perancangan ulang (redesign) Redesign Lube Oil Cooler dimaksudkan untuk meningkatkan effectiveness perpindahan panas dari kondisi existing. Untuk melakukan desain ulang, dibutuhkan beberapa variabel input yang digunakan dalam proses perhitungan. Variabel input dan output dari perencaan penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 1 dibawah ini: Tabel 1. Data input dan output perencanaan lube oil cooler Parameter Tetap Mass flow rate oli (ṁh) = 4,1 kg/s Input Perencanaan Parameter Tidak Tetap Laju aliran massa udara (ṁc) Tin oli = 351,4 K surface designation Tin udara = 300 K Output Perencanaan Effectiveness ( UA NTU Koefisien konveksi Ah dan Ac qact Tout oli Tout udara Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan (Rathod et al, [4]) menunjukkan bahwa dengan variasi laju aliran massa fluida dingin memberikan pengaruh terhadap effectiveness dan juga pressure drop yang terjadi. Sehingga dalam perancangan lube oil cooler ini dilakukan variasi laju aliran massa fluida dingin yaitu udara sebagai berikut: Tabel 2. Variasi laju aliran massa fluida dingin (Udara) Laju Aliran Massa Oli Laju Aliran Massa Udara Satuan 4,5 4.1 5,5 6,5 7,5 Kg/ S Sedangkan berdasarkan penelitian (Junqi et al, [2]) diperoleh hasil dengan variasi surface designation dari fins jenis wavy fins memberikan pengaruh terhadap j dan f faktor. Dimana j mewakili performa perpindahan panas, dan f mewakili pressure drop. Sehingga dalam perancangan ini juga akan di variasikan surface designation dari fins bersadasarkan konfigurasi dari buku compact heat exchanger (Kays dan London,[3]) seperti pada tabel berikut: Tabel 3. Konfigurasi surface designation untuk circular tubes, continuous fins (Kays dan London,[3]) Surface Designation 8.0-3/8 T 7.75-5/8 T Satuan 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 SENATEK 2015 Malang, 17 Januari 2015 174
Hasil dan Pembahasan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, didapatkan grafik perbandingan performa lube oil cooler terhadap geometri surface. Gambar 3. Grafik heat transfer actual dan temperatur keluar oli fungsi air side Reynolds number Gambar 3 diatas menunjukkan grafik perbandingan heat transfer actual dan temperatur keluar oli terhadap air side Reynolds number pada setiap variasi surface designation. Trend grafik menunjukkan semakin besar Reynolds number sisi udara, maka semakin besar pula perpindahan panas actual yang terjadi dan temperatur keluar oli semakin rendah. Kedua variasi surface designation 8.0-3/8 T dan 7.75-5/8 T mempunyai trend grafik heat transfer maupun temperatur keluar oli yang sama. Surface designation 8.0-3/8 T memiliki perpindahan panas actual maksimal sebesar 80410,47 Watt dan temperatur keluar oli terendah 342,1402 K pada Reynolds number udara 2854,984, Sedangkan dengan surface designation 7.75-5/8 T dengan nilai perpindahan panas actual maksimal yang mampu dihasilkan sebesar 75242,42 Watt dan temperatur keluar oli terendah 342,74 K pada Reynolds number udara 3169,566. Pada Reynolds number yang sama, nilai heat trasfer actual 8.0-3/8 T lebih besar dari 7.75-5/8 T dan nilai temperatur keluar oli 8.0-3/8 T lebih rendah 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. Temperatur keluar oli merupakan selisih dari temperatur masuk oli dikurangi dengan rasio heat transfer actual/ spesific heat. Pada temperatur masuk oli dan spesific heat yang sama, ketika heat transfer actual besar maka temperatur keluar oli akan semakin menurun. Oleh karena itu 8.0-3/8 T menghasilkan nilai heat transfer actual yang lebih besar dan temperatur keluar oli yang lebih rendah. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari 2015 175
Gambar 4. Grafik effectiveness fungsi NTU Gambar 4 diatas menunjukkan grafik effectiveness fungsi number of transfer unit (NTU). Kedua variasi surface designation 8.0-3/8 T dan 7.75-5/8 T mempunyai trend grafik yang hampir sama yaitu semakin besar NTU, maka effectiveness juga semakin meningkat. Variasi 8.0-3/8 T mampu menghasilkan effectiveness maksimal sebesar 29% pada NTU 0,43. Nilai effectiveness dan NTU 8.0-3/8 T lebih besar dibandingkan 7.75-5/8 T dikarenakan heat transfer actual yang terjadi pada 8.0-3/8 T lebih besar. 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 Cmin, karena luasan perpindahan panas 8.0-3/8 T lebih besar dari 7.75-5/8 T maka UA juga meningkat. Oleh karena itu NTU 8.0-3/8 T lebih besar dibandingkan 7.75-5/8 T. Kesimpulan Telah dilakukan perancangan lube oil cooler turbin gas dengan memvariasikan surface designation circular tubes, continuous fins dan mass flowrate dari udara maka dapat diambil beberapa kesimpulan. Performa existing lube oil cooler memiliki nilai effectiveness sebesar 13.6%. Dengan memperbesar luasan perpindahan panas, maka proses perpindahan panas dari oli ke udara akan semakin baik sehingga temperatur keluar oli semakin rendah. Nilai heat transfer actual semakin besar dan temperatur keluar oli semakin rendah menunjukkan terjadi peningkatan effectiveness dari lube oil cooler. Berdasarkan hasil perancangan yang telah dilakukan, dipilih hasil redesign yang sesuai yaitu surface designation 8.0-3/8 T dengan laju aliran massa udara 7,5 kg/s dengan effectiveness meningkat menjadi 29%. Daftar Pustaka 1. Incropera, Frank P., et al. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer Sixth Edition. New York: John Wiley & Sons Inc. 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. 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. 5. Rosady, S. D. N dan Dwiyantoro, B. A, Re-Design Lube Oil Cooler pada Turbin Gas dengan Analisa Termodinamika dan Perpindahan Panas, Jurnal Teknik Pomits, Vol. 1, No. 2, (2014) ISSN: 2301-9271. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari 2015 176