BAB II DASAR TEORI
2.1. Definisi Viskositas Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan aliran fluida yang merupakan gesekan antara moekul-molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu cairan yang mudah mengalir, dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah dan sebaliknya cairan yang sulit mengalir memiliki viskositas yang tinggi. Setiap benda yang bergerak relatif terhadap benda lain selalu mengalami gaya gesek. Demikian pula halnya dengan sebuah benda yang bergerak dalam sebuah fluida juga mengalami gesekan. Hal ini dikarenakan sifat kekentalan dari fluida tersebut. Koefisien kekentalan suatu fluida (cairan) dapat diperoleh dengan menggunakan percobaan bola jatuh di dalam fluida itu tersebut. Gaya gesek yang bekerja pada suatu benda yang bergerak relatif terhadap suatu fluida akan sebanding dengan kecepatan relatif benda terhadap fluida : F = -b v .....................................................................................................2.1 Dimana :
F = Gaya gesek yang dialami benda b = Konstanta gesekan v = kecepatan benda
Khusus untuk benda yang berbentuk bola dan bergerak dalam fluidayang sifatsifatnya tetap, gaya gesek tersebut memenuhi hukum stokes sebagai berikut : Rumus hukum stokes adalah : F = 3 π u d v………………………………..………………...………...2.2
4
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
F = hambatan yang dialami oleh bola (newton) r = jari-jari bola yang jatuh bebas (cm) u = viskositasnya (saybolt) v.= kecepatan jatuh bola (m/s)
Rumus stokes hanya berlaku bila bilangan Reynolds untuk aliran kurang dari (sekitar 1), fluida tidak berolak (tidak terjadi turbulensi), dan luas penampang tempat fluida cukup besar dibanding ukuran bola. Diantara semua sifat-sifat fluida, viskositas memerlukan perhatian yang terbesar dalam telahaan tentang aliran fluida. Viskositas adalah sifat fluida yang mendasar diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju perubahan bentuk sudut fluida yang tertentu maka tegangan adalah berbanding lurus dengan viskositas. Gula (tetes = molasse), dan (ter = tar) merupakan contoh cairan yang sangat viskos : air dan udara mempunyai viskositas yang sangat kecil. Viskositas gas terikat oleh suhu, tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu. Perbedaan dalam kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat diterangkan dengan menyimak penyebab-penyebab viskositas. Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekularnya. Cairan, dengan molekul-molekul yang jauh lebih rapat dari pada gas. kohesi nampaknya merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan, dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu, maka demikian pulalah viskositas. Sebaliknya gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang sangat kecil. Sebahagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekular.
5
Universitas Sumatera Utara
2.2. Minyak Jarak Konsumsi dan permintaan terhadap minyak bumi semakin meningkat akan tetapi persediaannya kian menipis. Oleh karena itu, saat ini biodisel mulai diteliti sebagai bahan bakar alternatif. Biodisel bersifat biodegradable, terbarukan dan dan menghasilkan lebih sedikit emisi zat berbahaya dibandingkan bahan bakar fosil. Pohon jarak ini berasal dari Afrika Selatan, dan sudah dikenal oleh bangsa Indonesia sejak tahun 1940-an, saat penjajah Jepang menggunakan minyak jarak untuk penerangan di rumah-rumah penduduk dan sumber-sumber energi untuk penggerak alat perang. Minyak jarak merupakan jenis minyak baru tersebut, yang sekarang ini sedang dipopulerkan untuk menjadi minyak biodiesel pengganti bahan bakar di masa depan. Minyak jarak merupakan minyak nabati, yang artinya diperoleh dari biji buah jarak (Jatropha curcas) yang melalui proses ekstraksi dengan menggunakan mesin pengepres minyak. Ekstraksi minyak dari buah jarak meningkatkan nilai ekonomi dari pohon jarak. Tanaman jarak dapat menghasilkan 40 ton biji per hektar dengan harga jual Rp.2000/Kg. Proses pengolahan minyak biji jarak dari buah jarak dapat dilihat pada Gambar 2.1, yang meliputi : pengeringan buah jarak untuk mengeluarkan biji dari buah jarak, pengeringan biji jarak hingga diperoleh kadar air biji 6%, selanjutnya pemisahan kulit biji cangkang dengan daging biji yang dapat dilakukan secara manual atau menggunakan mesin pemisah biji jarak, proses pemanasan daging biji (steam) pada suhu 170
o
c
selama 30 menit, penghancuran daging biji,
pengepresan minyak dengan menggunakan mesin pengeperes dan penyaringan
6
Universitas Sumatera Utara
minyak, sehingga dipeoleh minyak jarak murni seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Pengeringan Buah Jarak Untuk mengeluarkan biji dari buah
Pengeringan Biji Jarak Hingga kadar air biji = 6 persen
Pemisahan Kulit Biji dengan Daging Biji Dapat dilakukan dengan mesin atau manual
Pemanasan Daging Biji Dilakukan selama 30 menit pada suhu 170 derajat celcius
Penghancuran Daging Biji Proses akhir sebelum pengeperesan
Pengeperesan Untuk mengeluarkan minyak dari biji jarak
Penyaringan
Gambar 2.1. Skema Proses Pembuatan Minyak Jarak
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Minyak Jarak
2.3. Minyak Diala-C Minyak diala-c merupakan salah satu jenis minyak yang sering digunakan sebagai minyak trafo. Minyak trafo berfungsi sebagai : minyak isolasi dan sebagai media pendingin transformator. Biasanya minyak isolasi trafo dikelompokkan menjadi dua bagian berdasarkan bahan dasarnya, yaitu : minyak isolasi mineral dan minyak isolasi sintesis. Minyak Diala-C digolongkan menjadi minyak jenis mineral. Minyak isolasi mineral adalah jenis minyak isolasi yang bahan dasarnya adalah dari minyak bumi yang diproses dengan cara destilasi. Minyak isolasi hasil destilasi ini masih harus dimoifikasi agar tahanan isolasinya tinggi, stabilitas panasnya baik dan mempunyai karakteristik panas yang stabil serta memenuhi syarat-syarat teknis yang lain. Pada gambar 2.3 ditunjukkan minyak jenis diala-c.
8
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Minyak Diala-C
2.4. Hubungan Viskositas Dengan Pendingin Transformator Transformator
adalah
suatu
alat
listrik
yang
digunakan
untuk
mentransformasikan daya atau energi listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya, Pada trafo yang kapasitas besar menghasilkan rugi-rugi daya yang besar pada kumparan trafo, dimana rugi-rugi daya tersebut didisipasikan dalam bentuk panas, sehingga suhu pada trafo akan meningkat yang dapat menyebabkan kerusakan pada trafo . Pada bab ini akan dijelaskan secara umum tentang : prinsip rugi-rugi daya pada trafo, minyak sebagai pendingin trafo.
2.4.1 Sebab-Sebab Timbul Panas Pada Transformator Pada Gambar 2.4 ditunjukkan rangkaian pengganti dari suatu trafo daya, dimana pada kumparan tersebut terdiri dari resistansi dan reaktansi. Resistansi
9
Universitas Sumatera Utara
tersebut menyebabkan rugi-rugi daya bila dialiri arus listrik. Rugi-rugi daya ini yang menyebabkan timbulnya panas pada kumparan. Bila trafo dalam keadaan berbeban maka pada sisi primer akan mengalir arus I1 dan pada sisi sekunder akan mengalir arus I21 , sedangkan pada inti nya akan mengalir arus I0.
R2
i2l
i1 X1
V1
ic
Xm
Rc
R1
X2
io E1
V2 ZL
E2
im
i2l
i1 io
X1
V1
Xm
Rc
R1
a2R2
a2X2 aV2 ZL
Gambar 2.4 Rangkaian Ekivalen Transformator
Rugi-rugi daya terjadi pada kumparan primer dan kumparan sekunder. Rugi-rugi daya tersebut adalah : •
Sisi primer Pcu= I12 R1 ..............................................................................................2.3
•
Sisi sekunder Pcu= I22 R2 ..............................................................................................2.4
Dimana : Pcu = rugi tembaga (watt) I1 = arus yang mengalir pada kumparan primer (ampere)
10
Universitas Sumatera Utara
I2 = arus yang mengalir pada kumparan sekunder (ampere) R1 = tahanan kumparan primer (ohm) R2 = tahanan kumparan sekunder (ohm) Selain rugi pada kumparan primer dan sekunder terdapat pula rugi pada inti besi yang terdiri dari : (1) Rugi histerisis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi, yang dinyatakan sebagai :
Ph = KhƒBmaks ...........................................................................................2.5
(2) Rugi ‘Eddy current’ yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai :
Pe = KeƒBmaks ..........................................................................................2.6 Jadi rugi besi (rugi inti) adalah:
Pi= Ph + Pe ..........................................................................................2.7 Dimana : Pi
= rugi inti (watt)
Ph
= rugi histerisis (watt)
Pe
= rugi eddy current (watt)
Kh
= konstanta histerisis
Bmaks = fluks maksimum ( webber ) f
= frekwensi (Hz)
Ke = konstanta eddy current Secara diagram rugi-rugi pada transformator dapat dijelaskan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
11
Universitas Sumatera Utara
Rugi Tembaga
SUMBER
Rugi Tembaga
KUMPARAN PRIMER
FLUKS BERSAMA
KUMPARAN SEKUNDER
Output
Fluks bocor Rugi besi Histeresis, Eddy current Gambar 2.5. Rugi rugi pada transformator. 2.4.2 Minyak Sebagai Pendingin Transformator Fungsi utama dari minyak trafo adalah sebagai media isolasi, sedangkan fungsi lainnya adalah sebagai pendingin. Pada Gambar 2.3, Gambar 2.4, dan Gambar 2.6 ditunjukkan sistem pendinginan trafo dengan minyak yang dikombinasikan dengan udara.
Gambar 2.6. Sistem Pendingin Jenis OFB
12
Universitas Sumatera Utara
Sistem pendingin jenis ini dilengkapi dengan pompa, dimana pompa tersebut berfungsi untuk mengalirkan minyak sehingga minyak dalam trafo bersikulasi terus menerus. Sedangkan fan berfungsi mendinginkan minyak dari luar.
Gambar 2.7 Sistem Ppendingin Jenis ON
Sedangkan system pendingin jenis ON (oil natural) hanya memanfaatkan udara luar sebagai pendingin minyak tersebut tanpa dilengkapi pompa atau pun fan. Dengan kata lain minyak dalam trafo tidak bersirkulasi.
Gambar 2.8 Sistem Pendingin Jenis OB
13
Universitas Sumatera Utara
Sama dengan system trafo jenis ON, system trafo jenis OB (oil blast) minyak dalam trafo juga tidak bersirkulasi tetapi pendingin minyaknya dibantu dari luar dengan fan. Telah dijelaskan sebelumnya pada sub.bab 2.4.1 bahwa pada trafo terjadi rugi-rugi daya yang didisipasikan ke dalam bentuk panas. Panas tersebut dapat menyebabkan kenaikan temperatur pada trafo. Kenaikan suhu dari kumparan, minyak dan inti trafo menurut B.S (British standard) adalah seperti pada Tabel 2.1 :
Tabel 2.1 Data kenaikan Suhu kumparan, minyak dan inti trafo menurut B.S MACAM
KUMPARAN
PENDINGIN
CLASS A
CLASS B
AN, AB
550 C
750 C
ON, OB, OW
600 C
-
MINYAK
INTI
500 C
Sesuai dengan kumparan
OFN, OFB
650 C
OFW
700 C
500 C
-
yang terdekat
600 C
Dimana : AN : Pendingin alam (natural cooling) oleh sirkulasi udara sekitarnya tanpa alatalat khusus. Inti dan kumparan trafo terbuka, tanpa minyak. Sistim ini digunakan untuk trafo-trafo kecil dan bertegangan rendah, misalnya stepup trafo dirumah-rumah. AB
: Pendinginan oleh udara (air blast) langsung yang dihasilkan oleh fan (kipas angin) . Sistim ini juga tidak mengunakan minyak.
14
Universitas Sumatera Utara
ON
: Pendingin minyak (oil natural) disertai pendingin alam (natural cooling). Panas yang ditimbulkan oleh pada inti dan kumparan diteruskan melalui minyak kedinding trafo yang kemudian didinginkan oleh udara luar sekitarnya.
OB :
Sistim ini adalah sama dengan hembusan sistim ON yang dilengkapi dengan hembusan angin dari fan pada dinding trafo.
OFN
:Pendinginan ini sama dengan sistim ON, tetapi untuk sirkulasi minyaknya melalui radiator mengunakan suatu cara. Pada sistim ini tidak ada fan.
OFB
:Adalah sistim OFN yang dilengkapi hembusan angin dari fan. Digunakan untuk trafo-trafo yang berkapasitas besar.
OF
:
a. Sama dengan OFB, tetapi tanpa fan. b. Minyak dialirkan keradiator oleh suatu pompa. c. Dinding luar radiator didinginkan oleh sirkulai air sebagai penganti fan.
Beberapa spesifikasi atau karakteristik minyak trafo antara lain dapat dilihat pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Tabel Spesifikasi Minyak Trafo NO
Sifat
Kelas 1
Kelas 2
Metode Uji
1
Tegangan Tembus (kV/2,5mm)
>30
>30
IEC 296
< 40
<25
IEC 296
<0,895
IEC 296
2
Viskositas 40 0c
3
Massa Jjenis 20 0c (gr/cm3)
<0,895
4
Titik Bakar (0c)
> 140
5
Korosi Belerang
IEC 296A Tidak korosi
15
IEC 296
Universitas Sumatera Utara
