Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
EVALUASI RANCANGAN PEMANAS MINYAK JARAK MEMANFAATKAN KALOR BUANG ENGINE DIESEL 1
Chandra Permana Wisnu Hendradjit 3 FX Nugroho Soelami 2
Program Studi Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung 1
[email protected], 2
[email protected] (kepadanya komunikasi dan korespondensi ditujukan), 3
[email protected]. ABSTRAK Minyak jarak murni mempunyai kekentalan yang lebih besar dari minyak Diesel sehingga tidak dapat langsung digunakan sebagai bahan bakar engine Diesel. Oleh karena itu minyak jarak perlu dipanaskan minimal hingga 70oC agar kekentalannya setara dengan minyak Diesel. Untuk memanaskannya dirancang suatu piranti penukar kalor yang memanfaatkan gas buang engine Diesel sebagai sumber energinya. Piranti penukar kalor yang dibuat dari rancangan terdahulu, menghasilkan waktu pemanasan awal sepanjang 26.4 menit, sejak engine di-start hingga minyak jarak cukup panas untuk menggantikan minyak Diesel. Engine dioperasikan pada putaran 1500 rpm. Pada penelitian in, rancangan itu dievaluasi dalam upaya menyingkat waktu pemanasan awal. Dipertimbangkan tiga cara pada upaya tersebut, yaitu menambahkan insulator glasswool pada tabung pemanas, memperpanjang permukaan kontak knaalpot dan minyak jarak dan gabungan kedua cara tersebut. Untuk perhitungan waktu pemanasan digunakan iterasi dengan program Matlab. Hasilnya adalah cara pertama menghasilkan waktu pemanasan awal menjadi 16.7 menit, cara kedua menjadi 17.4 menit, dan cara ketiga waktunya menjadi 14.2 menit. Kata Kunci: Minyak jarak murni, kekentalan, engine Diesel, gas buang, penukar kalor, waktu pemanasan awal, insulator.
1. PENDAHULUAN Kekentalan minyak jarak murni agar setara dengan minyak Diesel harus dipanaskan terlebih dahulu. Oleh karena itu, dirancang suatu sistem penukar kalor untuk memanaskan minyak jarak tersebut yang sumber kalornya memanfaatkan kalor dari gas buang sebuah engine Diesel, yang berfungsi sebagai penggerak mula sebuah generator elektrik (genset). Rancangan penukar kalor yang terdahulu masih menghasilkan waktu pemanasan minyak jarak yang cukup panjang. Oleh karena itu, dicoba untuk mengevaluasi rancangan tersebut dengan menerapkan upaya mencari peluang untuk menyingkat waktu pemanasan itu.
Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
2. TINJAUAN PUSTAKA Untuk menggunakan minyak jarak sebagai bahan bakar engine Diesel dapat dilakukan dengan memodifikasi sistem engine dengan dua tangki atau converter two-tank system. Minyak jarak yang digunakan sebagai bahan bakar pada sistem ini adalah minyak jarak murni atau straight jatropha oil (SJO). SJO ini hanya melalui proses pembuangan kandungan lilinnya (degumming), serta tidak diolah secara kimiawi ataupun dicampur dengan minyak Diesel. Permasalahan penggunaan minyak jarak sebagai bahan bakar Diesel adalah kekentalan minyak jarak lebih tinggi dari pada minyak Diesel, sehingga sulit untuk dikabutkan di dalam engine
125
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
(Addison, 2008). Agar kekentalannya setara dengan kekentalan minyak Diesel, minyak jarak perlu dipanaskan minimal hingga suhu 70 oC (Frybrid, 2008). Untuk memanaskan minyak jarak dirancang suatu sistem penukar kalor. Pada
ISSN : 1411-6286
penelitian ini, sistem penukar kalornya memanfaatkan energi yang dilepaskan gas buang engine Diesel di sepanjang knaalpot engine tersebut sebagai sumber kalornya. Penampang sistem penukar kalor tersebut dapat ditampilkan oleh Gambar 1
Gambar 1 Penampang Sistem Penukar Kalor Dalam merancang sistem penukar kalor ini, perlu diperhatikan mekanisme proses perpindahan kalor yang terjadi pada sistem tersebut, seperti tampak pada Gambar 2.
Gambar 2 Peristiwa Perpindahan Kalor pada Sistem Penukar Kalor Dalam merancang sistem ini, digunakan anggapan dua keadaan berbeda, yaitu saat keadaan saat tunak dengan waktu pemanasan awal, serta suhu yang seragam disepanjang H knaalpot. Perancangan Sistem Penukar Kalor pada Keadaan Tunak Saat tunak dianggap tidak ada perpindahan kalor dari knaalpot ke minyak jarak.
Qin = Qout _ 1 + Qout _ 2 + Qout _ 3
Qin = 2π .Dmuffler .H .hoil (Tknalpot − Toil ) = Am hoil (Tm − Toil )
Q out
_1
=
π 4
(
.d
2
− (D knalpot
) )⋅ U 2
atas
(T oil
− T udara
)=
A 1 ⋅ U 1 (T oil − T ud
Q out _ 2 = 2 .π .ro . H .U sil .( T oil − T ud ) == A 2 ⋅ U 2 (T oil − T ud π 2 Qout _ 3 = . d 2 − (Dmuffler ) ⋅ U bawah (Toil − Tudara ) = A3 .U 3 (Toil − Tud ) 4
(
126
)
)
)
Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
U
atas
1
=
1 h oil
U
bawah
sil
+
_ atas
t sil 1 + k sil h udara _ atas 1
=
1 h oil
U
ISSN : 1411-6286
= 1 h oil
_ bawah
+
t sil 1 + k sil h udara _ bawah
1 r ⎞ ro . ln ⎛⎜ o rin ⎟⎠ 1 ⎝ + + k sil h udara
Besarnya h (koefisien konveksi) ditentukan oleh bilangan Nusselt, Nu, (Todd dan Ellis, 1982). Sedangkan Nu ditentukan oleh bilangan Rayleigh, Ra, dan bilangan Prandtl, Pr, (Incropera dan
DeWitt, 1990). Besarnya Nu untuk tiap-tiap peristiwa perpindahan kalor berbeda-beda tergantung pada peristiwa konveksi yang terjadi (Incropera dan DeWitt, 1990) sebagaimana ditunjukkan oleh Tabel 1.
Tabel 1 Rumus bilangan Nusselt pada tiap-tiap kasus perpindahan kalor. Koefisien Konveksi
Bilangan Nusselt
hoil_atas dan hatas_udara
Nu = 0.54 ⋅ (Ra )
hoil_bwh dan hbwh_udara
Nu = 0..27 ⋅ (Ra )
0.25
(9)
0.25
0.28
⎛ 2L .⎜ ⎜ ⎝ Dmuffler
(10)
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
−0.25
hoil
⎛ Pr .Ra ⎞ Nu = 0.22.⎜ ⎟ ⎝ 0.2 + Pr ⎠
hudara
⎛ ⎜ ⎜ 1 ⎜ 0.387.Ra 6 Nu = ⎜ 0.825 + 8 ⎛ ⎛ 0.492 ⎞ 916 ⎞ 27 ⎜ ⎜1 + ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎜ Pr ⎠ ⎟ ⎝ ⎝ ⎠ ⎝
Perancangan Sistem Penukar Kalor pada Waktu Pemanasan Awal Waktu pemanasan awal adalah waktu pemanasan minyak jarak hingga (T − T oil 1 ) + Q Q in = m oil .Cp oil . oil 2 out Δt Δt menyatakan waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu minyak jarak sebanyak moil dari suhu Toil1 menjadi
Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
(11)
⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠
2
(12)
mencapai suhu minimal 70 oC sejak saat engine di-start. Untuk mendapatkan waktu pemanasan tersebut, persamaan (2) akan dirubah menjadi: _1
+ Q out
_ 2
+ Q out
_3
(13)
Toil2. Dengan menyisipkan persamaan (2), (3), (4), dan (5) ke dalam persamaan (13) diperoleh:
127
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
(T − T ) Am hoil (Tm − Toil ) = moil .Cpoil . oil 2 oil1 + ( A1U1 + A2U 2 + A3U 3 )(Toil − Tud ) (14) Δt Jika dimisalkan: Amhoil = B, moil.Cpoil = C, dan A1U1 + 1 / Rsil + A3U3 = D, setelah satu detik (Δt = 1 detik), suhu
minyak jarak menjadi:
selanjutnya
(Toil2)
akan
⎛ B .T m + D .T ud + (C − B − D )T oil 1 ⎞ T oil 2 = ⎜ ⎟ (15) C ⎝ ⎠ Pada penelitian ini, untuk waktu pemanasan dan dinyatakan dalam mendapatkan seberapa lama waktu yang satuan detik. diperlukan untuk mencapai Toil2 dari suatu Toil1 pada Tm (suhu knaalpot) dan 3. HASIL DAN ANALISIS Tud (suhu udara) tertentu dihitung secara Dari sistem penukar kalor yang iteratif menggunakan Matlab. dibuat berdasarkan rancangan sebelumnya, Diagram alir algoritma penentuan waktu diukur waktu pemanasan minyak jarak pemanasan awal ditunjukkan pada hingga mencapai suhu minimal 70 oC mulai dari engine di-start. Tabel 2 menunjukkan Gambar 3. Koef Q menyatakan perkalian antara A (luas permukaan) dengan U rentang waktu yang diperlukan untuk memanaskan minyak jarak hingga mencapai (koefisien transmisi kalor menyeluruh). suhu 70 oC untuk putaran engine yang Menggunakan persamaan (15) ditentukan suhu minyak jarak setelah satu detik berbeda: pemanasan. Perhitungan tersebut diulang terus sehingga suhu minyak jarak (oil temperatur) mencapai 70 oC dari semula bersuhu lingkungan sekitarnya. Banyaknya pencacahan dihitung sebagai
Mula
Hitung Koefisien Q_in
Hitung Koefisien
Hitung Koefisien
Hitung Koefisien detik = detik+1
Hitung T Oil next
Y
T_Oil_nex t <= 70
Tidak Sto
Waktu pemanasan =
. Gambar 3. Algoritma penentuan waktu pemanasan awal
128
Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
Tabel 2. Hubungan Putaran Engine Diesel dengan Waktu Pemanasan pada Beban Generator 0 kW No Putaran Engine (rpm) Waktu (menit) 1 1000 30,2 2 1500 26,4 3 2000 24,8 berkurang. Dari perhitungan didapatkan Untuk mempercepat pemanasan waktu pemanasan awal pada saat putaran dilakukan modifikasi rancangan dengan engine 1500 rpm, suhu permukaan luar tiga cara: knaalpot sekitar 90oC dan beban generator elektrik 0 kW adalah 16.7 menit, dari semula 26.4 menit. 1. Penambahan insulator pada tabung Penggunaan insulator kurang efektif pada pemanas berupa glasswool setebal 3 saat suhu knaalpot sudah tinggi, karena cm. Insulator itu ditambahkan untuk kalor yang keluar dari tabung pemanas mengurangi kalor yang keluar dari hampir sebesar kalor yang masuk. dinding tabung pemanas. Semakin Gambar 4 menunjukkan perbandingan berkurang kalor yang keluar dari penggunaan insulator dengan beberapa tabung pemanas maka semakin banyak tingkat ketebalan. kalor yang terkumpul di dalam sistem pemanas sehingga waktu yang diperlukan untuk memanaskan minyak. jarak juga akan semakin
Gambar 4. Perbandingan waktu pemanasan tanpa dan dengan insulasi glasswool. 2. Memperluas permukaan sentuh knaalpot - minyak jarak untuk memperluas permukaan knaalpot yang bersentuhan dengan minyak jarak, dan meningkatkan kalor yang masuk ke dalam pemanas. Kalor yang ada di dalam tabung pemanas akan semakin meningkat dan waktu untuk Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
pemanasan juga akan berkurang. Cara ini dilakukan dengan memperpanjang permukaan knalpot yang berada didalam tabung pemanas menjadi 0.2024 cm. Dari perhitungan didapat waktu pemanasan awal pada saat putaran engine 1500 rpm adalah 17.4 menit, dari semula 26.4 menit. Cara ini dapat mempercepat waktu 129
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
pemanasan secara efektif pada semua suhu permukaan knaalpot.
ISSN : 1411-6286
Dari pengiterasian dengan matlab, didapat waktu pemanasan awal pada saat putran mesin 1500 rpm dan beban generator elektrik adalah 17.4 menit dari sebelumnya 14.2 menit.
4. Cara yang ketiga adalah dengan menggabungkan kedua cara di atas.
Gambar 5. Perbandingan waktu pemanasan tanpa dan dengan penambahan panjang kontak knaalpot.
Gambar 6. Perbandingan waktu pemanasan tanpa dan dengan penambahan panjang kontak knaalpot serta glasswool. 4. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan, perhitungan serta analisis dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. 1. Penggunaan insulator glasswool setebal 3 cm dapat mempercepat waktu pemanasan awal menjadi 16.7 menit dari sebelumnya selama 26.4 130
2.
3.
menit pada saat suhu permukaan luar knaalpot 90oC oC. Penggunaan insulator glasswool setebal 3 cm tidak begitu efektif pada suhu pemukaan luar knaalpot yang lebih tinggi dari 95 oC. Penambahan panjang permukaaan kontak knaalpot dengan minyak jarak sepanjang 5 cm dapat mempercepat Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008) Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
4.
5.
waktu pemanasan awal menjadi 17.4 menit dari sebelumnya selama 26.4 menit pada saat suhu permukaan luar knaalpot 90oC.. Penambahan panjang permukaaan kontak antara knaalpot dengan minyak jarak sepanjang 5 cm dapat mempercepat waktu pemanasan secara efektif pada semua suhu permukaan knaalpot. Penggabungan cara pemakaian glasswool dan penambahan panjang permukaaan kontak knaalpot dengan minyak jarak dapat mengurangi waktu pemanasan awal menjadi 14.2 menit dari sebelumnya selama 26.4 menit pada saat suhu permukaan luar knaalpot 90oC.
Pengakuan: Penelitian ini terlaksana berkat segala kemudahan yang disediakan oleh Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan Logam (MIDC), melalui Luky
Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak (Chandra Permana)
ISSN : 1411-6286
Krisnandi, S.T., yang juga telah membantu dengan berbagai data, saran dan pandangan hingga terselesaikannya kegiatan ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Addison, K. 2008. Straight vegetable oil as diesel fuel“, dimuat di dalam dan diunduh dari web http://journeytoforever.org/biodiesel _svo.html. pada 6 Juni 2008. [2] Frybrid. 2008. Diesel/Vegetable oil, SVO / WVO (Straight vegetable oil / waste vegetable oil) Theory, dimuat di dalam dan diunduh dari web http://www.frybrid.com/svo.htm. pada 6 Juni 2008. [3] Incopera, Frank P. dan David P. DeWitt, 1990. Introduction to Heat Transfer, John Willey & Sons, Third Edition. Pp. 310-474. [4] Todd, J.P., dan H.B. Ellis. 1982. Applied Heat Transfer, Happer & Row, Publisher, New York, p. 125.
131
