TUGAS AKHIR TM091486 Ari Budi Santoso NRP : 2106100132 Dosen Pembimbing Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT. JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012
KARAKTERISASI UNJUK KERJA MESIN DIESEL SET SISTEM DUAL FUEL SOLAR DAN BIOGAS DENGAN PENAMBAHAN FAN UDARA SEBAGAI PENYUPLAI UDARA
Latar Belakang Persediaan bahan bakar fosil Adanya teknologi yang dapat digunakan untuk memperoleh bahan bakar renewable (terbarukan) Adanya teknologi yang dikembangkan untuk mensubsitusi penggunaan bahan bakar fosil dengan bahan bakar renewable (terbarukan) Penelitian sebelumnya
Rumusan Masalah Karakterisasi unjuk kerja sistem dual fuel biogas dan solar yang diaplikasikan pada mesin diesel dengan system pemasukan udara secara paksa oleh fan. Mekanisme pemasukan biogas dan pemasukan udara oleh fan pada sistem dual fuel sehingga dapat diperoleh karakterisasi unjuk kerja yang optimum. Kondisi operasi mesin diesel melalui pengukuran temperatur gas buang, oli pelumas, dan cairan pendingin.
Batasan Masalah Percobaan menggunakan mesin diesel 1 (satu) silinder empat langkah yang telah dimodifkasi pada bagian saluran isap untuk menyuplai biogas dan penambahan fan sebagai penyuplai udara. Kondisi mesin diesel dalam keadaan standar.
Kondisi udara dalam keadaan ideal. Tidak membahas proses pembuatan biogas serta reaksi kimia yang terjadi. Bahan bakar yang digunakan adalah minyak solar yang didistribusikan di pasaran dan biogas dari bahan baku kotoran sapi. Minyak solar yang dipakai adalah minyak solar yang diproduksi oleh Pertamina dengan spesifikasi minyak solar sesuai dengan keputusan Dirjen Migas No. 113.K/72/DJM/1999 tanggal 27 Oktober 1999.
Bahan bakar solar • Diperoleh dari destilasi pendidihan minyak mentah (crude oil) pada suhu 250 sampai 370 0C. • Hidrokarbon yang terdapat didalamnya terdiri dari parafin, naphtalene, olefin, dan aromatik dengan jumlah atom karbon bervariasi mulai 12 sampai 18.
Biogas • Biogas merupakan renewable energi yang dapat dijadikan bahan bakar alternatif untuk menggantikan bahan bakar yang berasal dari fosil seperti minyak tanah, solar, dan gas alam[4]. • Biogas dihasilkan oleh proses pemecahan bahan limbah organik yang melibatkan aktivitas bakteri anaerob dalam kondisi anaerobik dalam suatu digester [4] • Menurut Da Costa, Joaquim. [9]., komponen biogas adalah:
Mesin diesel Mesin diesel bekerja dengan menghisap udara luar murni, kemudian dikompresikan sehingga mencapai tekanan dan temperature yang tinggi. Sesaat sebelum mencapai TMA, bahan bakar diinjeksikan dengan tekanan yang sangat tinggi dalam bentuk butiran-butiran halus dan lembut. Kemudian butiran-butiran lembut bahan bakar tersebut bercampur dengan udara bertemperatur tinggi dalam ruang bakar dan menghasilkan pembakaran.
Tahap pembakaran mesin diesel • • • •
Ignition delay period Uncontrolled combustion Controlled combustion After burning
Mesin dual fuel
• Merupakan mesin yang memiliki dua sistem penyuplai bahan bakar yang berbeda.
• Dalam sistem ini bahan bakar gas disebut sebagai bahan bakar primer dan bahan bakar minyak solar disebut sebagai bahan bakar sekunder yang bertindak sebagai bahan bakar pilot [14].
Mesin dual fuel
• Merupakan mesin yang memiliki dua sistem penyuplai bahan bakar yang berbeda.
• Dalam sistem ini bahan bakar gas disebut sebagai bahan bakar primer dan bahan bakar minyak solar disebut sebagai bahan bakar sekunder yang bertindak sebagai bahan bakar pilot [14].
Teknologi Sistem Dual-Fuel Pada Mesin Diesel Low Pressure Injected Gas (LPIG)
High Pressure Injected Gas (HPIG) Combustion Air Gas Integration
Low Pressure Injected Gas (LPIG) • Bekerja dengan melakukan injeksi gas pada saluran isap mesin pembakaran. • Proses dilakukan pada tekanan yang cukup rendah biasanya lebih kecil dari 50 psi.
High Pressure Injected Gas (HPIG) • Sistem ini bekerja dengan menyediakan gas langsung ke ruang bakar dengan tekanan yang sangat tinggi sekitar 3000 psi. • Injeksi bahan bakar gas dan bahan bakar pilot dilakukan secara bersamaan ketika piston mencapai akhir langkah kompresi.
Combustion Air Gas Integration • Model ini bekerja dengan mencampur udara-bahan bakar gas sebelum memasuki saluran isap. • Sistem pencampuran dilakukan dengan alat yang dinamakan mixer yang diletakkan pada saluran isap mesin diesel.
Penelitian tentang dual fuel Penelitian Bedoya, I.D • Mengadopsi model combustion air gas integration, dengan melakukan dua jenis percobaan dual fuel biogas sebagai bahan bakar utama dan biosolar sebagai bahan bakar pilot dengan variasi beban 40%, 50%, 70%, dan 100%. • SM 1 : Natural Aspiration • SM 2 : Supercharged Aspiration
Penelitian Rico A • Mengadopsi Model Combustion Air Gas Integration dengan bahan bakar biogas dari kotoran sapi. • Menggunakan motor diesel satu silinder, variabel beban. • Menggunakan mixer berbentuk venturi sebagai pencampur bahan bakar gas dan udara.
Hasil • Nilai specific fuel consumption (sfc) minyak solar saja mengalami penurunan dengan adanya penambahan biogas rata-rata hingga 67,89% dari kondisi berbahan bakar solar. • Efisiensi termal (η_th) mesin pada tekanan 0.3 psi mengalami penurunan dengan penambahan biogas rata-rata sebesar 18.58%, penurunan AFR rata-rata sebesar 88.82%, serta kenaikkan temperatur cairan pendingin rata-rata sebesar 3.73%, kenaikkan temperatur minyak pelumas rata-rata sebesar 4.86% dan kenaikkan temperatur gas buang rata-rata sebesar 5.17%.
Pengujian pada kondisi standar dengan bahan bakar minyak solar Persiapan alat ukur Menghidupkan mesin + Pemanasan 20 minutes Set beban 200 – 2000 Watt ( interval 200 Watt) + Putaran mesin 1500 rpm Waktu konsumsi minyak solar (5.024ml), (Arus & Voltase) Listrik, ∆L udara, Temperatur (gas buang, udara , oli pelumas, cairan pendingin)
Menurunkan beban bertahap + Matikam mesin
Prosedur Percobaan (Dual Fuel) Persiapan alat ukur Pasang mixer & mixing jet Oasang fan udara Menghidupkan mesin & pemanasan 20 menit
Set tekanan biogas di presure regulator (0.5 – 3 kgf/cm2) Set beban 200 – 2000 Watt ( interval 200 Watt) + Putaran mesin 1500 rpm
Waktu konsumsi minyak solar (5.024ml), (Arus & Voltase) Listrik, ∆L udara & biogas, Temperatur (gas buang, udara , oli pelumas, cairan pendingin)
Menurunkan beban bertahap + Matikam mesin
Skema percobaan
Instalasi percobaan
Peralatan
Aliran bahan bakar
Biogas
Alat ukur
Alat ukur
Mass flow biogas dan udara P2 V22 P1 V12 + + gz1 = + + gz2 2 ρ 2 ρ 𝑉12 𝑃2 𝑃1 = − 2 𝜌 𝜌 𝑉=
2 𝑃2 − 𝑃1 𝜌𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎
𝑚 = 𝞺𝑣𝐴
Unjuk kerja • 𝑁𝑒 =
𝑉. 𝑖 .cos φ 746 𝑥 𝜂𝑔𝑒𝑛. 𝑥 ηtrnsm
• 𝑀𝑡 =
71620 . 𝑁𝑒 𝑛
• 𝑏𝑚𝑒𝑝 = • 𝑠𝑓𝑐 = • ηth =
(𝑘𝑔. 𝑐𝑚)
0,456 . 𝑁𝑒 . 𝑧 𝐴 . 𝑙 .𝑛 .𝑖
3600 . m bb 𝑁𝑒
(𝑝)
(𝑘𝑔/𝑐𝑚2 ) 𝑘𝑔 𝑝. 𝑗𝑎𝑚 Ne
5,6145 (m biogas .Qbiogas + m dual solar . Qsolar )
x 100%
AFR m udara AFR = m biogas + m solar
Flowchart pembuatan biogas START
Studi literatur Kotoran sapi Digester
Membersihkan digester
Mencampur dan mengaduk kotoran sapi dengan air, masingmasing 1 : 1
Memasukkan campuran kotoran sapi an air ke dalam digester
Menutup pintu masuk digester
Biogas
END
Flowchart percobaan START
Persiapan peralatan Aktifasi alat ukur dan kalibrasi Pemanasan rpm 1500 L udara Pengaturan mass flow biogas Pengaturan mass flow rate udara standart single fiel
Pembebanan 200 W
Pencatatan kebutuhan arus listrik ( I ) dan voltase ( V )
Pencatatan waktu konsumsi bahan bakar 5.024 ml
Pencatatan Temperatur gas buang, oli, coolant, udara masuk, dan biogas
200W + n
n = 200, n ≤ 2000W
Waktu konsumsi bahan bakar 5.024 ml Arus listrik Voltase Temperatur gas buang, oil, cooler, udara masuk, danbiogas ∆L manometer
END
Parameter eksperimen
Dari percobaan ini data-data yang didapatkan dihitung, dan kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik: - Daya = f(beban) - Torsi = f(beban) - bmep = f(beban) - Sfc = f(beban) - ηth = f(beban) - AFR = f(beban) - Tgas buang = f(beban) - Tminyak pelumas = f(beban) - Tcoolant = f(beban)
Grafik Ne fungsi Beban
Grafik Mt fungsi Beban
Grafik bmep fungsi Beban
Grafik efisiensi thermal fungsi Beban
Grafik sfc solar fungsi Beban
Grafik AFR fungsi Beban
Grafik Suplai Udara Blower fungsi Tekanan Biogas
Grafik coolant fungsi Beban
Grafik Oil fungsi Beban
Grafik Gas Buang fungsi Beban
Kesimpulan • • • •
• •
Secara umum sistem dual fuel biogas-solar, dengan penambahan biogas sebagai bahan bakar akan mengurangi konsumsi minyak solar rata-rata 35,08% Nilai specific fuel consumption (sfc) sitem dual fuel mengalami peningkatan yang cukup besar rata-rata sebesar 326,95% dari nilai specific fuel consumption (sfc) single fuel . Nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem dual fuel mengalami penurunan maksimal sebesar 50,72% dari nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem single fuel. Efisiensi thermal (ηth) mesin pada sistem dual fuel mengalami penurunan ratarata sebesar 12,57% dari efisiensi thermal (ηth) mesin pada sistem single fuel. Air fuel ratio (AFR) pada sistem dual fuel mengalami penurunan rata-rata sebesar 74,53% dari Air fuel ratio (AFR) pada sistem single fuel. Dengan penambahan blower, mass flowrate udara pada sistem dual fuel mengalami kenaikan rata-rata sebesar 13,56% dari nilai mass flowrate udara pada single fuel.
TRIMA KASIH
