BAB I

TINJAUAN PUSTAKA

1.1 Sistem PLTP

Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi adalah pembangkit listrik yang

menggunakan panas bumi sebagai sumber energinya. Pembangkit listrik tenaga panas bumi

membutuhkan sumber panas bersuhu tinggi untuk menggerakan turbin uap sehingga dapat

memutarkan generator dan menghasilkan tenaga listrik. Pada dasarnya pembangkit ini dibagi ke

dalam beberapa tipe yaitu pembangkit uap kering, pembangkit flash steam, dan pembangkit siklus

biner.

Berbeda dengan sistem PLTU yang menggunakan ketel uap (boiler) sebagai komponen

utama penghasil uap panas pada sistem pembangkitannya, uap panas pada sistem PLTP dihasilkan

dari perut bumi yang langsung dialirkan ke turbin dimana komponen pada uap panas bumi tersebut

akan dipisahkan terlebih dahulu dari butiran padat dan butiran cair sehingga menjadi uap yang

benar-benar kering.

Sebuah turbin uap memiliki siklus yang disebut siklus Rankine, yang terdiri dari dua jenis

siklus yaitu:

Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin langsung dipakai untuk keperluan proses.

Siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin dimanfaatkan lagi dengan cara

mendinginkannya pada kondensor, kemudian dialirkan kembali ke pompa dan seterusnya

sehingga merupakan suatu siklus tertutup.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-1 Diagram T-S pada PLTP single flash

(Yunus A. Cengel, Michael Boles, 2001)

Penjelasan mengenai siklus rankine pada PLTP dapat dilihat pada Gambar I-1 dimana

pada titik (1) fluida panas bumi berupa campuran dua fasa. Sebelum memasuki turbin, uap

mengalami proses pemisahan butiran padat di separator dan pemisahan butiran cair di demister

dari titik (1) ke titik (2). Uap yang berasal dari demister (2) memasuki turbin (4) untuk kemudian

diekspansikan dan menghasilkan daya turbin, dimana uap hasil ekspansi langsung dialirkan

menuju condenser (5). Turbin secara langsung dikopelkan dengan generator yang menghasilkan

daya output.

1.2 Sistem Turbin

Sebuah PLTP dilengkapi dengan sistem pembangkitan dengan Turbin uap sebagai

komponen konversi energi utama dalam sebuah pembangkit listrik tenaga termal. Turbin uap

berfungsi untuk mengubah energi panas dari uap menjadi energi mekanik (putaran) sebagai

penggerak generator untuk menghasilkan energi listrik. Biasanya turbin uap langsung terkopel

dengan generator sehingga sering disebut steam turbine generator.

Dalam sebuah sistem turbin uap terdapat komponen komponen secara umum yaitu:

Sudu-sudu adalah suatu piringan yang membantu rotor turbin berputar (sudu tetap)

dan pengarah atau pengatur kecepatan uap (sudu gerak)

Casing turbin/shell sebagai wadah pelindung sudu dan pembatas tempat mengalirnya

uap melewati sudu turbin.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rotor turbin adalah bagian dari turbin yang berputar akibat pengaruh gerakan uap

terhadap sudu-sudu gerak

Bantalan/bearing adalah sebuah elemen mesin yang berfungsi untuk membatasi

gerak relatif antara dua atau lebih komponen mesin agar selalu bergerak pada arah

yang diinginkan.

Sistem lubrikasi bantalan. Lube Oil atau Minyak Pelumas dan Control Oil berfungsi

untuk melumasi bantalan turbin, mengangkat poros pada saat turning gear beroperasi

dan untuk mengontrol gerakan beberapa Valve.

1.3 Sistem Lubrikasi Bantalan

Bantalan adalah sebuah elemen mesin yang berfungsi untuk membatasi gerak relatif antara

dua atau lebih komponen mesin agar selalu bergerak pada arah yang diinginkan. Bantalan menjadi

komponen penting pada berbagai desain mesin yang melibatkan poros/shaft dengan casing atau

bagian yang diam, seperti motor listrik, motor bakar, pompa, roda, dan lain sebagainya. Bantalan

menjadi titik pertemuan antara bagian mesin yang berputar dengan bagian yang diam. Ia juga

bertugas untuk mentransmisikan beban yang ada pada poros untuk diteruskan ke sisi casing, atau

bisa juga sebaliknya.

Karena fungsinya yang krusial, bearing membutuhkan perawatan yang baik sehingga

didapatkan umur kerja yang panjang. Salah satu bentuk perawatan bantalan yang utama adalah

lubrikasi atau pelumasan. Berikut adalah fungsi lubrikasi pada bantalan:

1. membentuk lapisan film lubrikasi diantara dua bidang kontak sehingga dapat membantu

menahan beban kerja serta mencegah keausan dan kerusakan prematur.

2. menyerap panas yang timbul.

3. mencegah kontaminasi kotoran-kotoran yang berasal dari luar.

4. menghindari suara bising.

5. mencegah korosi pada bearing.

6. sebagai sistem sealing tambahan.

Secara umum sistem pelumasan pada bearing dibagi menjadi tiga jenis, yakni menggunakan

grease, menggunakan oli, dan tipe kering. Pemilihan diantara ketiganya tergantung atas kondisi

operasional bantalan, jenis dan ukuran bantalan, konstruksi penggunaan bantalan, kebutuhan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sirkulasi pelumasnya serta biaya yang tersedia. Berikut adalah skema pelumasan turbin yang

umumnya terdapat pada sebuah turbin uap yang dapat dilihat pada Gambar I-2

Gambar I-2 Skema Pelumasan Turbin

(Ansaru, 2016)

1.3.1 Oli Pelumas

Pelumas adalah zat kimia, yang umumnya cairan, yang diberikan di antara dua benda

bergerak untuk mengurangi gaya gesek. Zat ini merupakan fraksi hasil destilasi minyak bumi yang

memiliki suhu 105-135 derajat celcius. Pelumas berfungsi sebagai lapisan pelindung yang

memisahkan dua permukaan yang berhubungan. Umumnya pelumas terdiri dari 90% minyak dasar

dan 10% zat tambahan. Salah satu penggunaan pelumas paling utama adalah oli mesin yang

dipakai pada mesin pembakaran dalam. (Cao, 2010)

1.3.2 Tugas Pokok Pelumas

Pada dasarnya yang menjadi tugas pokok pelumas adalah mencegah atau mengurangi

keausan sebagai akibat dari kontak langsung antara permukaan logam yang satu dengan

permukaan logam lain terus menerus bergerak. Selain keausan dapat dikurangi, permukaan logam

yang terlumasi akan mengurangi besar tenaga yang diperlukan akibat terserap gesekan, dan panas

yang ditimbulkan oleh gesekan akan berkurang.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Selain mempunyai tugas pokok, pelumas juga berfungsi sebagai penghantar panas. Pada

mesin mesin dengan kecepatan putaran tinggi, panas akan timbul pada bantalan bantalan sebagai

akibat dari adanya gesekan yang banyak. Dalam hal ini pelumas berfungsi sebagai penghantar

panas dari bantalan untuk mencegah peningkatan temperatur atau suhu mesin.

Suhu yang tinggi akan merusak daya lumas. Apabila daya lumas berkurang, maka gesekan

akan bertambah dan selanjutnya panas yang timbul akan semakin banyak sehingga suhu terus

bertambah. Akibatnya pada bantalan-bantalan tersebut akan terjadi kemacetan yang secara

otomatis mesin akan berhenti secara mendadak. Oleh karena itu, mesin mesin dengan kecepatan

tinggi digunakan pelumas yang titik cairnya tinggi, sehingga walaupun pada suhu yang tinggi

pelumas tersebut tetap stabil dan dapat melakukan pelumasan dengan baik. Oleh karena itu,

diperlukan pendinginan pelumas yang teratur untuk memastikan keseluruhan mesin dan sistem

terlumas dengan baik.

1.4 Heat Exchanger

Penukar panas atau heat exchanger adalah alat yang digunakan untuk mempertukarkan

panas secara berkelanjutan dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas.

(Chapter 12 Heat Transfer Equipment) Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu:

a. Direct Heat Exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain.

Yang tergolong direct heat exchanger adalah cooling tower dimana operasi perpindahan

panasnya terjadi akibat adanaya kontak langsung antara air dan udara.

b. Indirect Heat Exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisahkan oleh sekat/ dinding

dan panas yang berpindah juga melewatinya. Yang tergolong indirect heat exchanger adalah

penukar panas jenis shell and tube, pelat, dan spiral.

1.4.1 Prinsip Kerja Heat Exchanger

Heat Exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas (heat transfer), dimana

terjadi perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya

lebih rendah. Biasanya, ada suatu dinding metal yang menyekat antara kedua cairan yang berlaku

sebagai konduktor. Suatu solusi panas yang mengalir pada satu sisi yang mana memindahkan

panasnya melalui fluida lebih dingin yang mengalir di sisi lainnya. Energi panas hanya mengalir

dari yang lebih panas kepada yang lebih dingin dalam percobaan untuk menjangkau

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

keseimbangan. Permukaan area heat exchanger mempengaruhi efisiensi dan kecepatan

perpindahan panas. Heat exchanger dengan area permukaan panas yang lebih besar akan

mengakibatkan perpindahan panas lebih efisien dan yang lebih cepat pemindahan panasnya. (Cao,

2010)

1.4.2 Jenis-jenis Heat Exchanger

Terdapat beberapa jenis tipe Heat Exchanger, yaitu:

a. Plate Heat Exchanger

Gambar I-3 Plate Heat Exchanger

(Cao, 2010)

Plate heat exchanger yang ditunjukan pada Gambar I-3 adalah salah satu tipe heat

exchanger yang menggunakan plat logam untuk memindahkan panas antara dua liquid.

Penggunaan heat exchanger ini menguntungkan dari heat exchanger konvensional karena

permukaan kontak fluida lebih luas. Plate heat exchanger merupakan suatu kemajuan desain

dasar yang membuat perpindahan panas yang cepat. Plate heat exchanger terbagi dua ruangan,

yang tipis berada di dalam, membagi dua fluida dengan luas permukaan yang paling luas oleh

plat logam. Plat tersebut memungkinkan perpindahan panas yang paling cepat. Membuat setiap

ruangan tipis memastikan sebagian besar volume dari liquid akan mengalami kontak dengan

plat.

b. Shell and Tube Heat Exchanger

Shell merupakan bagian-bagian heat exchanger yang berbentuk tube yang besar. Tube

berada di dalam shell. Dua fluida yang berbeda temperatur mengalir melalui heat exchanger

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dan terjadi pertukaran panas di dalamnya. Satu fluida mengalir melalui tube dan yang lainnya

mengalir melalui shell. Dengan menggunakan tipe heat exchanger ini maka panas tidak akan

terbuang dengan sia – sia sehingga dapat menghemat energi.

Gambar I-4 Shell and Tube Heat Exchanger

(kakaç, Liu, & Pramuanjaroenkij, 2012)

1.5 Plate Heat Exchanger

Plate and Frame Heat Exchanger adalah suatu tipe heat exchanger yang menggunakan

pelat sebagai tempat perpindahan panas di antara dua fluida. (Cao, 2010). Alat penukar panas jenis

ini dibuat oleh pelat logam stainless steel tahan karat. Aliran fluida panas dan dingin mengalir

masuk dan keluar melalui suatu lubang pada 4 sudut lembar yang menghasilkan efek perpindahan

panas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-5 Plate Heat Exchanger

(Cao, 2010)

Dalam rangka mencegah kebocoran dan pencampuran dari cairan panas dan dingin, Suatu

gasket dari suatu Plate and Frame Heat Exchanger berfungsi untuk menghindari bercampurnya

fluida panas dan fluida dingin. Gasket diapit di antara plat dan menyegel pelat di sekeliling tepi

plat tersebut. Pengatur jarak dan plat dirakit dalam bingkai (frame). Area dari pertukaran panas

ditetapkan menurut volume pertukaran panas tersebut.

Aplikasi plate heat exchanger sendiri sangat luas, misalnya untuk mendinginkan minyak

pelumas dari mesin, mendinginkan waste water, mendinginkan generator cooler, memanaskan air

untuk industri minuman, pasteurisasi susu, dan lain sebagainya.

1.5.1 Komponen Plate Heat Exchanger

1.5.1.1 Pelat

Pelat penukar panas bergelombang. Bentuk kerutan merupakan karakteristik masing-

masing model pelat dan dipelajari secara hati-hati oleh produsen. Tujuan dari bergelombang adalah

untuk memberikan turbulensi untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas dan, pada saat

bersamaan, untuk meningkatkan kekuatan struktural perakitan. Setiap lempeng harus didukung

secara mekanis untuk menahan perbedaan tekanan cairan pada kedua sisi lempeng. Kasus yang

paling parah adalah ketika salah satu cairan berada pada tekanan maksimumnya dan yang lainnya

adalah tekanan nol. Keadaan ini dapat terjadi saat startup atau saat unit dikosongkan untuk

dibersihkan. Hal ini diperlukan untuk menghindari deformasi pelat karena efek tekanan ini.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Galatan pelat itu memberikan banyak titik kontak di antara pelat, sehingga mencegah deformasi.

Ada banyak model plate bergelombang. Pada tipe "washboard", kerutan sejajar di antara mereka

dan tegak lurus terhadap arah aliran pada saluran. Jenis kerutan ini ditunjukkan pada Gambar

Gambar I-6a dan Gambar I-7a. Pola kerutan yang paling umum adalah pola herringbone, yang

ditunjukkan pada Gambar. Gambar I-6b dan Gambar I-7b. Dalam kasus ini, kerutan lempeng

berturut-turut diputar 180 derajat, jadi di antara dua lempeng terdapat sejumlah besar titik kontak

dimana gelombang bergelombang. Hal ini memungkinkan dukungan plat yang sangat kaku dan

tingginya turbulensi pada cairan. Model lain, tidak sering digunakan, ditunjukkan pada Gambar

Gambar I-7c dan d. Setiap pabrikan memiliki beberapa jenis plat untuk berbagai aplikasi.

Pemilihan pelat untuk aplikasi tergantung pada persyaratan proses dalam hal koefisien

perpindahan panas dan tekanan penukar panas yang diijinkan jatuh. Model yang memungkinkan

koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi untuk laju alir yang diberikan juga menghasilkan

tekanan tetes yang lebih tinggi. Jadi, untuk aplikasi apa pun, perancang harus memilih jenis plate

yang menawarkan keseimbangan terbaik dari kedua efek tersebut. (Cao, 2010)

Gambar I-6 Jenis pola pelat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-7 Jenis pola lekukan pada pelat

(a) Paralel corrugation (b) Transversal Corrugation

(Cao, 2010)

Pelat diproduksi dengan pembentukan dingin di mesin presse hidrolik. Masing-masing

produsen memiliki matriks yang sesuai dengan model standarnya dan biasanya memiliki

persediaan pelat nonperforasi tertentu. Saat alat penukar panas dibeli, pabrikan mendesain pola

sirkulasi fluida, kemudian lempeng dilubangi pada posisi yang disyaratkan oleh desain. Jadi

penukar panas pelat harus dianggap sebagai unit semistandard, dan karena perforasi dan perakitan

adalah operasi yang agak cepat, waktu pengiriman lebih pendek dibandingkan dengan jenis

penukar panas lainnya.

Area perpindahan panas yang efektif dari plate bisa sekecil 0,033 𝑚2 pada model

laboratorium hingga 3 𝑚2 pada model yang lebih besar (Cao, 2010). Jumlah pelat maksimum yang

dapat dirakit dalam satu unit dibatasi oleh kekuatan kompresi yang dapat dicapai dengan baut dan

distribusi arus di antara saluran aliran, namun maksimum 500 pelat dimungkinkan pada kasus

tertentu.

Bahan konstruksi. Pelat dapat dibuat dari bahan yang berbeda, seperti baja tahan karat,

tembaga dan paduannya, paduan aluminium, titanium, nikel atau nikel-molibdenum, dan lain-lain.

Ketebalan pelat antara 0,5 dan 1,2 mm. Karena lempengnya sangat tipis, perlu menggunakan bahan

tahan korosi. Inilah sebabnya mengapa baja karbon jarang digunakan dalam pembuatan plat, dan

baja tahan karat digunakan sebagai kualitas minimum. Bahan pelat harus sesuai untuk

pembentukan dingin. Paduan krom, zirkonium, dan titanium tertentu sulit untuk bentuk dingin dan

tidak digunakan dalam pembuatan penukar panas pelat. Tabel II-1 menunjukkan betapa mudahnya

lempeng bisa dingin terbentuk dengan menggunakan bahan yang berbeda.

Tabel I-1 Karakteristik “cold forming” beberapa material

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5.1.2 Gasket

Untuk plate bergasket, bahan elastomer digunakan, seperti karet alam, karet stirena

butadiena (SBR), karet nitril (akrilonitril butadiena), karet butil (satu kopolimer isobutilena dan

sejumlah kecil isoprena), silikon, atau elastomer lainnya seperti Neoprene, hypalon, atau viton.7

Terkadang, serat yang dikompres digunakan untuk aplikasi suhu tinggi. Bahan plastik dari jenis

polytetrafluoroethylene (PTFE) (misalnya, Teflon atau Fluon) tidak sesuai untuk pembuatan

gasket karena memiliki perilaku pemulihan elastis yang buruk. Pemilihan material gasket yang

sesuai sangat penting dalam desain penukar panas pelat karena gasket adalah faktor pembatas

untuk suhu operasi maksimum penukar. Tabel I-1 adalah panduan yang menunjukkan suhu

maksimum di mana bahan yang berbeda dapat digunakan.

Tabel I-2 Temperatur maksimal operasi gasket

Mengenai ketahanan kimia, SBR cocok untuk aplikasi umum pada sistem berair pada suhu

rendah. Karet nitril menggabungkan karakteristik tujuan umum SBR dengan ketahanan yang baik

terhadap lemak dan hidrokarbon alifatik. Karet butil menawarkan ketahanan kimia yang sangat

baik terhadap banyak zat kimia, seperti asam, alkali, dan beberapa keton dan amina, namun tidak

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tahan terhadap lemak. Silicone digunakan dalam sejumlah aplikasi namun merupakan bahan yang

paling sesuai untuk sodium hipoklorit dan beberapa diantaranya aplikasi suhu rendah

Fluoroelastomer seperti viton lebih mahal namun paling sesuai untuk minyak suhu tinggi (140

°C). Dengan formulasi yang tepat, mereka dapat digunakan untuk asam sulfat 98% pada suhu

sampai 100 °C. (Cao, 2010)

Penampang gasket bergantung pada desain pelat. Mereka bisa berbentuk segi empat,

trapesium, atau oval. Lebar biasanya berkisar antara 5-15 mm. Tinggi paking sebelum kompresi

15-50 persen lebih tinggi dari tinggi yang dikompres.

Gasket dipasang ke alur yang terbentuk di setiap plate dan dilem dengan semen khusus.

Semen yang digunakan harus dapat menyatukan setiap plate dengan baik selama operasi dan

pembukaan alat penukar panas tersebut. Semen harus segera dilepas bila paking harus diganti.

1.5.1.3 Frame

Gambar I-8 Dua fluida saat single pass, semua nozzle inlet dan nozzle outlet berada pada fixed

frame plate

(Cao, 2010)

Frame ini dibentuk oleh dua pelat kuat (pelat frame) pada kedua ujung unit. Pelat ini harus

menyerap tenaga akibat tekanan fluida. Misalnya, tekanan 5 bar yang bekerja pada permukaan

1𝑚2 menghasilkan kekuatan 500.000 N (~ 50 ton). Kekuatan yang harus diaplikasikan pada pelat

rangka agar rapat juga penting. Gaya ini diserap oleh baut pengencang. Biasanya, salah satu plate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

frame berisi nozzle inlet dan nozzle outlet serta dipasang pada sistem pemipaan. plate frame

lainnya, yang juga disebut pelat tekanan bergerak, dapat dibongkar kembali untuk diperiksa dan

dibersihkan saat unit tidak dilepas dengan konfigurasi ini, tidak perlu melepas komponen

pemipaan untuk perawatan.

Gambar I-9 Beberapa jenis frame PHE

(Cao, 2010)

Konstruksi ini hanya mungkin bila kedua cairan melakukan pelepasan tunggal melalui alat

penukar, seperti pada Gambar I-9 Dalam penukar multipass, tidak dapat dihindari untuk memiliki

koneksi perpipaan di kedua pelat frame. Frame biasanya berdiri bebas atau, untuk unit yang lebih

kecil, menempel pada baja struktural. Gambar I-9 menunjukkan beberapa contoh model bingkai.

1.5.2 Prinsip Aliran pada Plate Heat Exchangers

Plate Heat Exchanger terdiri dari banyak plat metal yang tipis dengan pembukaan untuk

jalan yang dilewati oleh fluida. Plat yang bengkok yang mana maksudnya bahwa tiap-tiap bagian

plat bersebelahan di dalam heat exchanger membentuk suatu saluran. Tiap detik saluran terbuka

bagi fluida yang sama . Antara masing-masing pelat ada suatu gasket karet, yang mana mencegah

cairan dari pencampuran dan dari kebocoran ke lingkungan sekitarnya.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-10 Aliran Fluida Melalui Plate Heat Exchanger

(Cao, 2010)

Ketika media masuk plate and frame heat exchanger melalui koneksi dalam frame,

diarahkan melalui saluran pengubah oleh pengaturan gasket. aliran fluida yang panas melalui

setiap saluran yang lain dan cairan yang dingin melalui saluran yang berada diantaranya. Panas

ditransfer dari cairan yang hangat kepada cairan yang lebih dingin melalui pembagian dinding,

yaitu material plat. Bentuk bengkok mendukung plat dari tekanan diferensial dan menciptakan

suatu aliran turbulen di saluran . Pada gilirannya, aliran turbulen menyediakan pemindahan kalor

efisiensi tinggi, membuat plate and frame heat exchanger sangat efisien dibandingkan dengan heat

exchanger tipe shell and tube tradisional.

1.5.3 Jenis-jenis Plate Heat Exchanger

Berdasarkan konstruksi pada plate heat exchanger, penukar panas pelat dapat dibagi

menjadi 2 macam, yaitu:

1. Gasketted Plate Heat Exchanger

Gasketted plate heat exchanger mudah dimodifikasi karena desainnya fleksibel. Fungsi utama

gasket adalah menjaga tekanan fluida, menjaga laju alir fluida dan mencegah pencampuran

fluida. Selain iu, gasket juga mudah dibuka untuk kontrol dan pembersihan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-11 Gasket

(Cao, 2010)

2. Brazed Plate Heat Exchanger

Brazed plate heat exchanger adalah pengembangan jenis gasket. Kelebihannya adalah lebih

kompak, dan dapat digunakan pada tekanan dan temperatur tinggi.

1.5.4 Jenis Aliran Pada Plate Heat Exchanger

Pada plate heat exchanger terdapat beberapa jenis pengaturan aliran yang dapat digunakan.

Jenis alirannya yaitu sebagai berikut:

1. Plate Heat Exchanger beraliran jamak (Multipass Plate Heat Exchanger)

Proses pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara sederhana mirip

dengan proses pertukaran panas pada penukar panas pipa ganda (double pipe heat

exchanger). Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa ganda alur

laluan fluida pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya. Baik fluida dingin

maupun panas memiliki alur aliran yang lurus (smooth). Sedangkan pada penukar panas

pelat beraliran jamak alur laluan fluida dingin membentuk huruf U dan sejajar dengan alur

laluan fluida panas.

Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa saluran jamak

banyak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk aliran

flue gas. Dengan adanya saluran jamak ini, perpindahan panas berlangsung secara bertahap

sehingga laju penurunan temperatur flue gas lebih teratur. Fluida panas (flue gas) yang

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

digunakan dalam penelitian ini adalah udara yang berasal dari kerangan (valve) yang

dipanaskan oleh alat pemanas udara (heater) dan udara ambient sebagai fluida dingin.

2. Plate heat exchange berlawanan arah (Countercurrent Plate Heat Exchanger)

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas, dan udara

pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan keluar

sistem dalam arah yang berlawanan juga Gambar I-12Gambar I-12 menunjukkan skema

arah aliran pada penukar pelat berlawanan arah.

Gambar I-12 PHE Pengaturan Aliran dengan Counter current seri 1:1

(Cao, 2010)

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas dan udara

pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah berlawanan dan keluar system

dalam arah yang berlawanan juga. Hal ini dapat dilihat pada GambarGambar I-12. Dengan

skema peralatan tersebut diharapkan hasil yang diperoleh dapat memenuhi rentang

bilangan Reynolds antara 10-400 seperti yang ditekankan (Marriot, 1971).

3. Plate Heat Exchanger bersilangan arah (Crosscurrent Plate Heat Exchanger)

Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang melalui

matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas.

Bila kedua fluida mengalir sepanjang permukaan perpindahan panas dalam gerakan

yang tegak lurus satu dengan lainnya, maka penukar panasnya dikatakan berjenis aliran

silang (cross flow). Pada sistem ini, udara bergerak menyilang melalui matriks perpindahan

panas yang dilalui flue gas. Aliran fluida panas dan dingin pada penukar panas pelat

beraliran silang yang akan digunakan pada percobaan ini tidak saling bercampur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(unmixed). Hal ini disebabkan oleh adanya sekat yang memisahkan aliran kedua fluida

tersebut.

1.5.5 Keuntungan Plate Heat Exchanger

Keuntungan dari Heat Exchanger jenis pelat dimulai dari desainnya. heat exchanger jenis

pelat, mengirim, efisiensi lebih besar, biaya yang lebih rendah, pemeliharaan dan pembersihan

lebih mudah, dan semakin dekat pendekatan temperatur dibanding penukar panas teknologi lain.

Yang dibandingkan heat exchanger jenis spiral dan shell and tube, plate heat exchanger

mempunyai kapasitas serupa juga memuat luas, lebar lantai sedikit dan mudah untuk diperluas.

swing-out plate vertikal dapat digunakan untuk melakukan packing beribu-ribu ft2 area

pemindahan kalor ke dalam suatu ruang kecil, selagi masih membiarkan ruang untuk pertumbuhan

masa depan. (Chapter 12 Heat Transfer Equipment)

Berikut ini keuntungan dari plate heat exchangers, antara lain :

1. Dalam kaitan dengan turbulensi yang tinggi di pola alir dari fluida melalui channel alternatif

yang dapat memperoleh transfer panas dengan sangat tinggi. Lebih mempertimbangkan

desain yang lebih ringkas dengan modal yang lebih rendah, sebagai contoh peralatan penukar

panas permukaan yang mana lebih rendah dari suatu penukar panas konvensional.

2. Disain modular mengijinkan pemakai untuk menambahkan kapasitas yang mana

mengubahnya dengan hanya menambahkan plat kepada heat exchanger.

3. Lebih sedikit pemasangan pipa pada plate and frame heat exchanger menjadi terbuka tanpa

mengganggu pemasangan pipa. Semakin dekat pendekatan temperatur sampai kepada 2°F

menyediakan recovery panas maksimum dan lebih ekonomis.

4. Alat penukar panas jenis pelat aliran berlawanan arah memiliki efisiensi yang terbaik

dibanding alat penukar panas jenis pelat aliran menyilang banyak laluan dan alat penukar

panas jenis pelat aliran menyilang tanpa sekat-sekat.

5. Menggunakan material tipis untuk permukaan penukar panas sehingga menurunkan tahanan

panas selama konduksi.

6. Memberikan derajat turbulensi yang tinggi yang memberikan nilai konveksi yang besar

sehingga meningkatkan nilai U dan juga menimbulkan self cleaning effect

7. Faktor-faktor fouling kecil karena:

a. Aliran turbulen yang tinggi menyebabkan padatan tersuspensi

b. Profil kecepatan pada pelat menjadi seragam

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c. Permukaan pelat secara umum smooth

d. Laju korosi rendah

e. Mempunyai nilai ekonomis dalam instalasi karena hanya membutuhkan tempat 1/4

sampai 1/10 tempat yang dibutuhkan tube dan spiral

f. Mudah dalam modifikasi dan pemeliharaan

g. Mudah dalam pemeliharaan dengan ruang minimal yang diperlukan untuk

membuka / menutup heat exchanger dan adalah harga yang stabil serta ekonomis.

h. Penukar panas jenis pelat dapat memindahkan panas secara efisien bahkan pada

beda temperatur sebesar 10C sekalipun

i. Penukar panas jenis pelat juga fleksibel dalam pemeliharaan aliran.

1.6 Perhitugan Heat Transfer Coefficient

Perhitungan heat transfer coefficient berisi beberapa persamaan untuk perpindahan panas

konvesi paksa dalam saluran dan persamaan ini dapat digunakan untuk mencari parameter awal

perancangan Plate Heat Exchanger. Dengan temperatur dalam keadaan steady state maka besaran

dimensi dari Plate Heat Exchanger pun akan diketahui. Persamaan ini memerlukan beberapa data

untuk bisa dijadikan pegangan. Dengan beberapa parameter awal yang telah di sebutkan pada

Tabel I-3

Tabel I-3 parameter awal perancangan

Parameter Fluida Panas Fluida Dingin

Jenis Fluida Oli Pelumas Cooling Water

Laju Massa 51924,75 kg/h -

Temperatur, in (Tin) 70 35

Temperatur, out (Tout) 45 40

Tekanan (P) 8 4,4

Tabel I-3, dan estimasi overall heat transfer coefficient (diambil range U estimasi sekitar

250 s/d 300 𝑊/𝑚2. ℃) yang nantinya akan di bandingkan dengan overall heat transfer coefficient

hasil perhitungan (Rohmah, Pikra, Purwanto, & Pramana, 2015) (Chapter 12 Heat Transfer

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Equipment). Untuk parameter seperti nilai konduktivitas termal fluida, viskositas, Specific Heat

(Cp), dan Densitas didapatkan dari appendix yang disertakan pada lampiran.

Perhitungan Kesetimbangan Energi

Perhitungan kesetimbangan energi diperlukan untuk mengetahui nilai mass flow pada sisi

fluida pendingin yaitu air.

Qlepas = Qserap

Qlepas = 𝑄ℎ = ṁℎ x Cpℎ x (Th𝑖-Th𝑜)

Qserap = 𝑄𝑐 = ṁ𝑐 x Cp𝑐 x (Tc𝑖-Tc𝑜)

Dari dua persamaan Qlepas dan Qserap maka untuk mengetahui mass flow pada sisi

pendingin dapat dicari dengan cara,

ṁc = 𝑄𝑐/Cp𝑐 x (Tc𝑖-Tc𝑜) (2.1)

Perhitungan luas perpindahan panas

Tabel I-4 Koefisien perpindahan panas 2 fluida pada Plate Heat Exchanger

(Cao, 2010)

Gunakan persamaan dibawah ini untuk menghitung luas perpindahan panas:

𝐴 = 𝑄

𝑈 ∆𝑇𝑚 (2.5)

Dimana,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q : Laju perpindahan panas (kW)

U : Koefisien overall heat transfer (estimasi dari tabel) (W/m2oC)

∆Tm : perhitungan true temperature difference (oC)

Dengan menggunakan Tabel II-6, koefisien perpindahan panas keseluruhan air pendingin

– organik kental adalah 300 W / m2 oC.

Perhitungan Log Mean Temperature Difference (LMTD)

Gunakan persamaan di bawah ini untuk menghitung log mean temperature difference.

Plate Heat Exchanger ini dirancang pada kondisi counter current dengan nilai LMTD:

∆T𝐿𝑀 =(𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑜)−(𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑖)

ln(𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑜)

(𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑖)

(2.2)

Dari persamaan diatas didapatkan nilai LMTD dalam derajat Celcius.

Perhitungan Number Thermal Unit (NTU)

Gunakan persamaan dibawah ini untuk menghitung Number of Thermal Unit :

NTU = (Th𝑖-Th𝑜)/ ∆T𝑙𝑚 (2.3)

Dimana,

∆T𝑙𝑚 : Log Mean Temperature Difference (oC)

Dari persamaan diatas didapatkan nilai NTU.

Perhitungan True Temperature Difference (∆Tm)

Gunakan persamaan dibawah ini untuk menghitung true temperature difference:

∆𝑇𝑚 = 𝐹𝑡 ∆T𝑙𝑚 (2.4)

Dimana,

Ft : faktor koreksi temperatur diasumsikan sebesar 0,95 berdasarkan

(Chapter 12 Heat Transfer Equipment) atau dapat dari grafik Log Mean

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Temperature Correction Factor untuk Heat Exchanger (Raju & Jagdish,

1983)

∆Tlm : perhitungan LMTD (K)

Gambar I-13 Grafik Log Mean Temperature Correction Factor

(Raju & Jagdish, 1983)

Perhitungan Area of One Plate (A1p)

Gunakan panjang efektif dan lebar efektif berdasarkan estimasi dimensi pelat untuk

menghitung besar area dari satu pelat.

𝐴1𝑝 = 𝐿𝑊 (2.6)

Dimana,

L : effective length (m)

W : effective width (m)

Perhitungan Jumlah Pelat

𝑁𝑝 = 𝐴

𝐴1𝑝 (2.7)

Dimana,

A : Luas Perpindahan Panas (m2)

A1p : Luas Perpindahan tiap pelat (m2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Perhitungan Jumlah Channel tiap pass (Nc)

𝑁𝑐 = (𝑁𝑝−1)

2 (2.8)

Dimana,

Np : Jumlah pelat

Perhitungan Channel-Cross Sectional Area (Af)

𝐴𝑓 = 𝑊𝑑 (2.9)

Dimana,

W : lebar efektif pelat (m)

D : jarak antar pelat (m)

Perhitungan Channel Velocity (up)

𝑢𝑝 = ṁ

𝜌𝐴𝑓𝑁𝑐 (2.10)

Dimana,

ṁ : Mass flow rate fluida (kg/s)

𝜌 : Densitas fuida (kg/m3)

𝐴𝑓 : channel-cross sectional area (m2)

Nc : number of channel per pass

Perhitungan Diameter (hidrolik) Ekuivalen (de)

𝑑𝑒 = 2𝑑 (2.11)

Dimana,

D : jarak antar pelat (m)

1.7 Overall Heat Transfer Coefficient (Uo)

Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient dapat dilakukan dengan menggunnakan

persamaan

1

𝑈𝑜=

1

ℎ𝑝ℎ+

1

ℎ𝑓ℎ+

𝑠

𝑘𝑝+

1

ℎ𝑝𝑐+

1

ℎ𝑓𝑐 (2.17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dimana satu banding Overall Heat Transfer Coefficient adalah penjumlahan satu

banding heat transfer coefficient sisi oli pelumas (ℎ𝑝ℎ), fouling factor coefficient sisi oli

pelumas (ℎ𝑓ℎ), heat transfer coefficient sisi air pendingin (ℎ𝑝𝑐), fouling factor coefficient sisi

air pendingin (ℎ𝑓𝑐) dengan ketebalan pelat (s) banding konduktivitas termal pelat (kp). dengan

(ℎ𝑓ℎ), (ℎ𝑓𝑐), diambil dari

Tabel I-6 sehingga didapatkan koefisiean fouling factor cooling water (treated) 8000

(𝑊/𝑚2℃) dan Lubricant oil 6000 (𝑊/𝑚2℃) Dan untuk plat stainless steel yang memiliki

ketebalan 0,75 mm diasumsikan memiliki konduktifitas termal sebesar 16 (W/moC).

Lalu nilai heat transfer coefficient (hp) dapat di cari dengan menggunakan persamaan

berikut

ℎ𝑝 = 𝑁𝑢 (𝑘𝑓

𝑑𝑒) (2.16)

(ℎ𝑝ℎ) didapat dari perkalian konduktifitas Thermal Fluida (𝑘𝑓) yang diambil dari tabel

properties untuk masing-masing fluida dibagi diameter hidrolik equivalen (𝑑𝑒) dan dikalikan

Nusselt (𝑁𝑢) number, dan untuk mencarinya digunakan persamaan berikut (Rohmah, Pikra,

Purwanto, & Pramana, 2015)

𝑁𝑢 =ℎ𝑝𝑑𝑒

𝑘𝑓= 0,26𝑅𝑒0,65𝑃𝑟0,4(

𝜇

𝜇𝑤)0,14 (2.14)

Dimana viskositas fluida pada temperatur dinding (𝜇𝑤), diasumsikan sebagai (𝑇𝑤)

𝑇𝑤 = (𝑇𝑓ℎ − 𝑇𝑓𝑐)/2 (2.15)

Dimana,

𝑇𝑓ℎ : Temperatur rata-rata sisi fluida panas/oli

𝑇𝑓𝑐 : Temperatur rata-rata sisi fluida dingin/air

Dan dengan Rumus Reynold dan Prandtl sebagai berikut

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

𝑅𝑒 = 𝜌𝑢𝑝𝑑𝑒

𝜇 (2.12)

𝑃𝑟 = 𝐶𝑝𝜇

𝑘𝑓 (2.13)

Dimana, perkalian (ρ) Densitas fuida, dengan (up) Channel Velocity, dan (de) Diameter

hidrolik/ Ekuivalen, dibagi (μ) adalah Viskositas Fluida, menghasilkan nilai Reynold (Re).

Kemudian perkalian (Cp) Spesific heat fluida dikalikan (μ) Viskositas Fluida kemudian dibagi

oleh (kf) konduktifitas Thermal Fluida akan menghasilkan nilai prandtl (Pr).

Dari nilai Uo yang didapatkan, nantinya akan dibandingkan dengan nilai heat transfer

coefficient asumsi jika nilainya memuaskan (perbedaan sekitar -0% sampai +8%) maka

perhitungan akan dilanjutkan pada penentuan besar pressure drop.

Tabel I-5 Konduktifitas Metal

(Cao, 2010)

Tabel I-6 Fouling Factor

(Cao, 2010)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.8 Total Pressure Drop ∆𝐏𝐭

Perhitungan pressure drop dapat diketahui dengan menggunakan persamaan

∆Pt = ∆Pp + ∆Ppt (2.18)

Dimana penurunan tekanan total merupakan akumulasi penurunan tekanan pada pelat ∆Pp dan port ∆Ppt. Penurunan tekanan yang terjadi pada pelat akibat loss pada saluran di pengaruhi oleh faktor gesekan yang didapat dengan persamaan merujuk pada jurnnal (Rohmah, Pikra, Purwanto, & Pramana, 2015)

𝐽𝑓 = 0,60(𝑅𝑒)−0.3 (2.19)

Kemudian faktor gesekan dikali panjang efektif lintasan fluida dan kecepatan aliran dalam pelat lalu dibagi dua kali diameter ekivalen.

∆Pp = 8 Jf (Lp

de)

𝜌 𝑢𝑝2

2 (2.20)

Penurunan tekanan pada port didapatkan dengan penurunan rumus yang didapat dari (Rohmah, Pikra, Purwanto, & Pramana, 2015)

∆Ppt = 1,3(𝜌𝑢𝑝𝑡2)

2𝑁𝑝𝑠 (2.21)

Nilai massa jenis didapatkan dari tabel appendix, kemudian kecepatan port berasal dari perhitungan laju alir massa fluida dibagi densitas dan luasan permukaan fluida yang dapat dihitung dengan data nilai diameter ports. Dengan nilai 𝑁𝑝𝑠 sebagai jumlah pass di tentukan di awal asumsi yaitu 1 kali pass.