Dalam perancangan, pemilihan bentuk dan bahan yang digunakan merupakan proses yang sangat penting. Rancangan struktural dari elemen pemanas ini dirancang sedemikian rupa sehingga sesuai (compatible) untuk dirangkaikan pada motor bakar Diesel.
Secara keseluruhan, rancangan elemen pemanas ini berbentuk seperti knalpot motor bakar pada umumnya, hanya saja terdapat perbedaan dari segi penambahan pipa tembaga sebagai saluran bahan bakar minyak kelapa. Elemen pemanas ini terdiri atas: saluran masuk gas buang, muffler, saluran minyak kelapa, tabung knalpot, tangki bahan bakar minyak kelapa, kran penyaluran bahan bakan.
1. Saluran Masuk Gas Buang
Saluran gas buang dirancang menyerupai saluran knalpot pada umumnya. Pada saluran inilah elemen pemanas dirangkaikan ke motor bakar. Lubang masukan saluran ini terhubung dengan lubang keluaran gas buang hasil pembakaran pada motor bakar.
Pada saluran masuk gas buangnya diambil dari saluran knalpot asli motor bakar Diesel, dengan diameter 42 mm, panjang 210 mm, dan tebal 2 mm.
33 Gambar 12. Saluran masuk gas buang
2. Muffler
Muffler terbuat dari pipa besi berdiameter 42 mm dengan tebal 0.8 mm. Pipa ini memiliki lubang pada seluruh dindingnya dan pada bagian tengahnya diberi sekat sebagai penahan gas buang agar tidak langsung keluar melalui saluran keluaran. Panas gas buang yang tertahan oleh sekat tersebut keluar dari muffler melalui lubang-lubang pada dinding pipa sebelum sekat dan keluar menuju saluran keluaran melalui lubang-lubang pada dinding pipa setelah sekat. Muffler berada pada bagian tengah elemen pemanas.
Gambar 13. Muffler 3. Saluran Minyak Kelapa
Saluran ini terbuat dari pipa tembaga dan posisinya berada di antara muffler dan tabung knalpot. Pemilihan bahan tembaga sebagai saluran minyak kelapa didasarkan oleh nilai konduktivitas termalnya yang cukup tinggi, selain itu pipa tembaga juga banyak tersedia di pasaran dengan ukuran yang cukup bervariasi.
34 Gambar 14. Pipa tembaga elemen pemanas
Pipa tembaga elemen pemanas ini dirancang berbentuk koil dengan diameter koil yang seragam pada setiap tingkatannya. Jarak antar tingkatan pipa tembaga ini panjang dibuat lebih rapat agar dapat menampung lebih banyak dan memperlama waktu tinggal (retention time) minyak kelapa di dalam elemen pemanas sehingga suhu keluaran minyak kelapa pun menjadi lebih tinggi.
Pada perancangan elemen pemanas ini, digunakan pipa tembaga yang ukurannya mendekati ukuran selang bahan bakar motor Diesel pada umumnya, sehingga mudah dirangkaikan pada sistem penyaluran bahan bakar motor Diesel. Diameter pipa tembaga yang digunakan adalah 1/4 inchi.
4. Tabung Knalpot
Tabung knalpot terbuat dari plat besi dengan tebal 2 mm. Pada elemen pemanas ini, tabung yang digunakan adalah tabung knalpot asli dari motor bakar Diesel. Diameter tabung ini sebesar 110 mm dan tinggi 180 mm. Karena tabung yang digunakan merupakan tabung knalpot asli, maka pada elemen pemanas ini, dimensi saluran minyak kelapa yang disesuaikan dengan dimensi tabung knalpot (Gambar 15).
35 5. Tangki Bahan Bakar Minyak Kelapa
Tangki bahan bakar minyak kelapa ini berbahan plastik, dengan kedudukan nya berbahan besi plat, minyak kelapa dari tangki disalurkan ke knalpot yang sudah ada pipa tembaga melalui selang, kemudian bahan bakar dipompakan melalui pipa penyalur menuju ke injektor. Dari injektor, bahan bakar yang sudah bertekanan disemprotkan ke dalam ruang pembakaran. Adapun panjang, lebar dan tinggi dari tangki secara berurutan adalah 21 cm, 12 cm, dan 8 cm.
Gambar 16. Tangki bahan bakar minyak kelapa 6. Kran Penyaluran Bahan Bakar Minyak Kelapa
Kran penyaluran ini terbuat dari kuningan, penyaluran ini mempunyai 3 kran diantaranya : kran pemasukan minyak kelapa, kran pemasukan solar, dan kran pemasukan bahan bakar ke injektor.
36
V. ANALISIS PINDAH PANAS PADA ELEMEN PEMANAS
Menurut Cengel (2003), dalam analisis pindah panas elemen pemanas, ada beberapa kondisi yang diasumsikan dan selalu dianggap seragam sepanjang waktu, yaitu:
1. Elemen pemanas beroperasi dalam jangka waktu yang panjang tanpa ada perubahan kondisi fisik.
2. Laju aliran massa kedua fluida selalu konstan. 3. Tidak ada perubahan dari sifat-sifat fluida.
4. Permukaan luar elemen pemanas terinsulasi sempurna.
Penelitian sebelumnya oleh Miftahuddin (2009) dibuat asumsi-asumsi untuk memudahkan perhitungan analisis pindah panas pada elemen pemanas karena kondisi yang sebenarnya terjadi tidak ideal. Namun hal ini menyebabkan nilai keakuratan dalam analisis sederhana elemen pemanas menjadi berkurang.
Berdasarkan asumsi-asumsi di atas, hukum termodinamika pertama dapat diterapkan dalam perhitungan ini (Miftahuddin, 2009) :
Q = m C (Tout – Tin) ... (14) Dimana: Q = Laju pindah panas (Watt)
m = Laju aliran massa (kg/s) C = Panas jenis (kJ/kg °C) T = Suhu (°C)
Menurut Cengel (2003), laju pindah panas dalam elemen pemanas dapat mengacu pada hukum pendinginan Newton (Newton’s law of cooling):
Q = U A ΔTm ... (15)
Dimana: Q = Laju pindah panas (Watt)
U = Koefisien pindah panas keseluruhan A = Luas area pindah panas (mm2)
ΔTm = Perbedaan suhu rata-rata antara kedua fluida (°C)
Besarnya suhu antara kedua fluida bervariasi sepanjang elemen pemanas, maka untuk analisis pindah panas ini digunakan perbedaan suhu rata-rata logaritmik (Logarithmic Mean Temperature Difference) atau LMTD (ΔTlm).
37
ΔT
lm=
ΔT1 - ΔT2ln ΔT1/ΔT2 ... (16) Dimana: ΔT1 = Tin (gas buang) – Tout (minyak kelapa)
ΔT2 = Tout (gas buang) – Tin (minyak kelapa)
Elemen pemanas pada penelitian ini tergolong dalam jenis counter-flow double-pipe heat exchanger. Tabung knalpot berfungsi sebagai selubung dari pipa tembaga yang ada di dalamnya. Secara skematik elemen pemanas pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar berikut (Miftahuddin, 2009).
Gambar 18. Skema aliran panas pada elemen pemanas
Elemen pemanas ini akan digunakan untuk memanaskan minyak kelapa dari suhu ruangan (± 30°C) sampai mencapai suhu optimum yang diharapkan yaitu 90°C. Dalam perhitungan ini, suhu gas buang yang masuk dan keluar dari knalpot diasumsikan dengan beberapa variasi suhu. Suhu gas buang yang masuk ke dalam elemen pemanas berkisar antara 150–300°C dan suhu gas buang yang keluar berkisar antara 50–100°C. Asumsi suhu gas buang ini akan digunakan dalam perhitungan perbedaan suhu rata-rata logaritmik (ΔTlm).
Nilai laju aliran massa (m ) didapatkan dari pengukuran konsumsi bahan bakar hasil penelitian Aidil (2001) pada motor bakar yang sama yang digunakan untuk penelitian ini. Pengukuran konsumsi bahan bakar dilakukan dengan mengukur volume bahan bakar sebelum dan sesudah motor Diesel dioperasikan, sehingga didapatkan selisih antara keduanya, kemudian selisih volume bahan bakar ini dibagi dengan waktu selama motor Diesel beroperasi, dan didapatkanlah nilai konsumsi bahan bakar dengan satuan volume per satuan waktu (liter/jam).
38 Konsumsi bahan bakar rata-rata yang dijadikan acuan sebesar 1.334 liter/jam atau 3.71 x 10-7 m3/s. Jadi laju aliran massa minyak kelapa pada elemen pemanas dapat diketahui dari:
m = konsumsi bahan bakar x densitas minyak kelapa ... (17) = 3.71 x 10-7
m3 x (915 kg ms 3) = 0.00034 kg s
Setelah diketahui laju aliran massa dari minyak kelapa, maka laju pindah panas yang diterima oleh minyak kelapa juga dapat diketahui dengan memasukkan variabel-variabel yang diketahui pada persamaan 14:
Q = m C (Tout – Tin)
= 0.00034 kg s 2.1 kJ kg °C 90-30 °C = 48.04 watt
Menurut Cengel (2003), nilai koefisien pindah panas (U) berdasarkan jenis fluida pemanas dan fluida yang dipanaskan seperti pada kasus ini berkisar antara 50–200 W/m2 °C. Lalu ditetapkan nilai koefisien pindah panas keseluruhan yang digunakan untuk perhitungan ini adalah nilai minimum, yaitu 50 W/m2 °C.
Karena suhu gas buang diasumsikan dan angka asumsinya bervariasi, maka nilai perbedaan suhu rata-rata logaritmik pun menjadi bervariasi, begitu juga dengan luas permukaan pindah panas dan panjang pipa tembaga yang dibutuhkan untuk menghasilkan suhu keluaran minyak kelapa optimum.
Luas permukaan pindah panas dapat diperoleh melalui persamaan 15:
A = Q
U ΔTlm
Setelah diketahui luas permukaan pindah panas dan diameter pipa tembaga yang digunakan, maka panjang pipa tembaga yang dibutuhkan dapat diperoleh melalui persamaan:
A = π D l ... (18) l = A
π D
Dimana: A = Luas permukaan pindah panas (mm2) D = Diameter pipa tembaga (mm)
39 Diameter pipa tembaga yang digunakan untuk elemen pemanas ini adalah 1/4 inchi.
Nilai perbedaan suhu rata-rata logaritmik, luas permukaan pindah panas, dan juga panjang pipa hasil penelitian Miftahuddin (2009) dapat dilihat pada Lampiran 1.
Dari tabel hasil perhitungan tersebut, didapatkan panjang pipa tembaga terbesar yang dibutuhkan untuk menghasilkan suhu keluaran minyak kelapa 90°C pada elemen pemanas ini sebesar 132 cm.
40