KARAKTERISTIK PEMBAKARAN DROPLET CAMPURAN BAHAN BAKAR SOLAR – TPO (TYRE PYROLYSIS OIL)
Raybian Nur1)2), Nurkholis Hamidi2), dan Lilis Yuliati2)
1)
Staf Pengajar Program Studi Teknik Otomotif Politeknik Hasnur
2)
Mahasiswa Program Magister dan Doktor Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya
Jl. MT. Haryono No. 167 Malang 65145, Indonesia E-mail: raybianbyan@gmail.com
ABSTRAK
Semakin menipisnya bahan bakar fosil membuat sumber energi terbarukan seperti biodiesel, bioetanol, biometana, dan biomassa dari limbah atau hidrogen menjadi bahan bakar alternatif yang banyak dikembangkan saat ini. Salah satunya adalah pemanfaatan limbah ban bekas yang di jadikan sebagai bahan bakar bakar motor diesel melalui proses pirolisis, yaitu TPO (Tyre Pyrolysis Oil). Minyak dari karet ban bekas hasil pirolisis yang diperoleh tidak dapat langsung digunakan karena beberapa faktor mempengaruhi seperti, nilai kalor, titik nyala, viskositas, dan lain-lain. Sehingga perlu proses lebih lanjut untuk membuat sifat bahan bakar tersebut sesuai dengan bahan bakar diesel yaitu melalui proses distilasi. Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik pembakaran persentase campuran bahan bakar solar – TPO melalui pembakaran droplet dengan mengamati visualisasi api, ignition delay time, burning rate, dan temperatur nyala api. Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental (experimental method). Hasil yang didapatkan melalui visualisasi api yaitu, terjadinya ledakan-ledakan kecil (micro explosion) disetiap campuran bahan bakar dengan ledakan kecil yang berbeda-beda seiring dengan meningkatnya campuran TPO terhadap solar. Ignition delay time droplet terlama di tunjukkan pada bahan bakar TPO 100 dengan nilai 0,186704 sdan yang terendah pada bahan bakar solar dengan nilai 0,153364 s, burning rate tertinggi yaitu pada bahan bakar TPO 100 dengan nilai 1,154 mm2/s dan yang terendah pada solar dengan nilai 1,076 mm2/s, temperatur tertinggi ditunjukkan pada bahan bakar TPO 100 yaitu 616,94 ºC dan yang terendah pada bahan bakar solar 436,49 ºC, dan nyala api tertinggi pembakaran droplet di tunjukkan pada campuran bahan bakar TPO 100 yaitu 26,37 mm dan yang terendah pada solar yaitu 23,61 mm.
Kata kunci: Bahan bakar alternatif, pembakaran droplet, tyre pyrolysis oil (TPO) PENDAHULUAN
Tingginya kebutuhan terhadap bahan bakar minyak di seluruh negara dalam berbagai bidang baik nasional maupun internasional memberikan dampak akan menipisnya ketersediaan bahan bakar fossil yang ada di bumi. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian mengenai pengembangan
energi terbarukan atau bahan bakar alternatifuntuk mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan bahan bakar fossil.
Salah satu penyebab tingginya kebutuhan terhadap bahan bakar fossil tersebut adalah pada bidang transportasi, yaitu semakin banyaknya pengguna kendaraan bermotor misalnya di negara Indonesia, dimana disisi lain
membuat produksi dan penggunaan ban semakin meningkat dari tahun ke tahun. Sejalan dengan itu menghasilkan juga ban-ban bekas yang sudah tidak digunakan lagi. Ban-ban bekas ini apabila dibuang secara terus menerus, maka akan menumpuk dan menyebabkan pencemaran lingkungan sekitarnya bahkan lahan untuk pembuangan ban bekas yang kurang memadai dikarenakan ban bekas tidak dapat terurai dengan mudah apabila hanya dibiarkan begitu saja. Oleh karena itu, perlu dilakukan usaha untuk dapat mengubah limbah ban bekas menjadi sesuatu yang lebih bermanfaat yaitu menjadikannya sebagai bahan bakar alternatif yang disebut tyre pyrolysis oil (TPO) dengan cara proses pirolisis.
Bahan bakar TPO dari limbah ban bekas dianalisis memiliki nilai kalori yang mendekati minyak diesel, namun crude TPO memiliki viskositas dan kandungan belerang yang lebih tinggi sehingga sulit untuk dibakar dalam motor diesel. Agar TPO dapat digunakan sebagai bahan bakar pada mesin diesel, maka perlu tindakan lebih lanjut yaitu dengan cara melakukan distilasi (Murugan, dkk.a, 2008; Murugan, dkk.b, 2008).
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah pembakaran droplet untuk mengamati tentang kinerja dan karakteristik pembakaran campuran bahan bakar solar –TPO.
METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental (experimental method).Jenis penelitian ini digunakan untuk menguji karakteristik pembakaran droplet dengan presentase campuran bahan bakar solar – TPO.Variabel bebas dalam penelitian ini adalah Penggunaan
tegangan dan arus pemanas (heater) untuk penyalaan droplet bahan bakar. Variabel terkontrolnya adalah:
1. Diameter droplet bahan bakar adalah 1,2 ± 0,2 mm.
2. Jenis pembakaran yang digunakan adalah pembakaran difusi.
3. penggunaan bahan bakar dengan campuran: TPO 0, TPO 10, TPO 30, TPO 50, dan TPO 100 terhadap persentase volume.
Variabel terikat yang diamati pada penelitian ini yaitu visualisasi api, ignition delay time, burning rate, temperatur api, dan tinggi api
Gambar 1. Instalasi alat penelitian Pengambilan data dan visualisasi api dilakukan menggunakan heater dengan temperatur ± 700 ºC dengan cara heater dapat digeser, pengambilan temperatur api menggunakan data logger merk Advantect dengan sensor thermocouple tipe K. Selanjutnya untuk pengambilan visualisasi api menggunakan kamera Nikon 5500D 60 fps untuk dapat mengukur dimensi api yang awalnya berupa video kemudian diubah menjadi gambar dengan menggunakan aplikasi converter video to picture dan diukur dengan softwareAutoCAD 2007.
HASIL DAN PEMBAHASAN Visualisasi Nyala Api Pembakaran Droplet Campuran Bahan Bakar Solar – TPO
Pada pembakaran bahan bakar solar dan TPO, waktu yang dibutuhkan untuk menyalakan sebuah droplet memiliki selisih waktu yang tidak jauh berbeda.Hal ini dikarenakan angka flashpoint yang dimiliki oleh solar dan TPO adalah 52ºC dan 64ºC.Adapun untuk penyalaan awal, heater dipanaskan terlebih dahulu sebelum diletakkan di dekat droplet dengan lama waktu ± 3 detik dan temperatur yang dihasilkan ± 700ºC. Visualisasi api pembakaran droplet campuran bahan bakar solar – TPO dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Visualisasi api pembakaran droplet campuran bahan bakar solar – TPO: (a) TPO 0; (b) TPO 10; (c) TPO
30; (d) TPO 50; dan (e) TPO 100 Evolusi perubahan api pada setiap persentase campuran terlihat berbeda, antara lain waktu yang ditempuh untuk menghasilkan tinggi api maksimum, untuk TPO 0 yaitu 0,5 s, TPO 10 yaitu 0,633 s, TPO 30 yaitu 0,716 s, TPO 50 yaitu 0,733 s, dan TPO 100 yaitu 0,883 s. Lama waktu terbakar yang terjadi
pada setiap persentase campuran antara lain, untuk TPO 0 yaitu 0,917 s, TPO 10 yaitu 1,333 s, TPO 30 yaitu 1,733 s, TPO 50 yaitu 1,633 s, dan TPO 100 yaitu 2,043 s. Sehingga dari pengamatan yang dilakukan pada visualisasi Gambar 2 menunjukkan bahwa, pada bahan bakar solar untuk mencapai tinggi api maksimum lebih cepat dibandingkan bahan bakar TPO. Akan tetapi, lama waktu terbakar yang ditunjukkan oleh bahan bakar solar lebih pendek dibandingkan bahan bakar TPO.
Untuk nyala api solar yang dihasilkan terlihat stabil, karena perubahan bahan bakar solar dari fase cair menjadi fase gas terjadi dengan sempurna yang di sebabkan oleh pemanasan heater. Sedangkan untuk nyala api TPO menimbulkan suatu fenomena, yaitu ledakan kecil pada droplet bahan bakar atau disebut dengan micro explosion. Walaupun pada bahan bakar solar juga terdapat micro explosion, namun kemungkinan terjadinya sangat kecil sehingga nampak tidak terlihat.Pada penelitian ini terjadinya micro exsploison yaitu dengan semakin banyaknya campuran bahan bakar TPO kedalam bahan bakar solar.Micro explosion menyebabkan terjadinya secondary atomization suatu bahan bakar dan menyebabkan pembakaran menjadi semakin cepat (Dewi, 2012).
Micro explosion
Micro explosion merupakan suatu fenomena yang terjadi pada pembakaran droplet bahan bakar cair. Dengan adanya micro explosion dalam suatu pembakaran, akan membuat terjadinya pembakaran yang sempurna. Hal ini dikarenakan pecahnya bahan bakar ketika terjadi pembakaran menjadi partikel-partikel kecil yang membuat penguapan suatu bahan bakar
akanmenjadi lebih cepat, sehingga terjadinya interaksi/pencampuran antara bahan bakar dan udara (oksigen) semakin cepat, dan pembakaran akan terjadi semakin cepat.
Terjadinya micro explosion itu sendiri adalah karena menguapnya suatu kandungan, salah satunya adalah kandungan air pada bahan bakar TPO yang menjadi uap air disebabkan oleh pemanasan heater, yang terjadi karena perbedaan temperatur titik didih antara bahan bakar dan air yang terkandung didalamnya membuat volume air dalam droplet menjadi besar, sehingga mengakibatkan tekanan yang besar. Bila tekanan air dalam air cukup besar, maka dropletakan pecah dan mengakibatkan terjadinya micro explosion. Pada penelitian droplet kali ini, terdapat micro explosion dari beberapa perbandingan campuran bahan bakar yang dapat dilihat melalui visualisasi api, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Ledakan-ledakan kecil (micro explosion), (a)TPO 0 ; (b)TPO
10 ; (c)TPO 30 ; (d)TPO 50 ; dan (e)TPO 100
Pada Gambar 3(a), merupakan pembakaran droplet bahan bakar solar yang mana dari awal api nyala sampai api padam menunjukkan micro explosion yang begitu kecil dan tidak sering terjadi, sehingga pembakaran menjadi lebih tenang. Hal yang menyebabkan minim terjadinya micro explosion pada bahan bakar solar adalah rendahnya kadar air yang terkandung di dalam bahan bakar solar yaitu <30 mg/kg dan sebaliknya pada bahan bakar
TPO. Kandungan air yang terdapat dalam bahan bakar TPO adalah 118 mg/kg, sehingga kemungkinan micro exploison terjadi sangat besar dibandingkan bahan bakar solar.Oleh karena itu, dengan semakin banyaknya campuran bahan bakar TPO kedalam bahan bakar solar maka jumlah terjadinya micro explosion semakin besar.
Hubungan Antara Ignition Delay Time Terhadap Persentase Campuran Bahan Bakar Yang Digunakan
Gambar 4. Grafik hubungan kandungan TPO dalam pembakaran droplet
terhadapignition delay time Grafik hubungan dari ignition delaytime terhadap persentase campuran bahan bakar yang terlihat pada gambar diatas, memiliki periode waktu untuk nyala yang hampir mendekati satu sama lain, yaitu dibawah dari 0,2 detik. Nilai ignition delay terendah pada bahan bakar solar yaitu 0,153 s di ikuti TPO 10, TPO 30, TPO 50 dan tertinggi pada TPO 100 yaitu 0,188 s. Hal tersebut disebabkan oleh heater yang dipanaskan terlebih dahulu sebelum mendekati droplet, sehingga mempersingkat waktu untuk penguapan bahan bakar dan peningkatan temperatur hingga mencapai temperatur nyalanya. Sehingga bahan bakar cepat
menyala dan ignition delay time-nya menjadi singkat.
Ignition delay time sendiri menunjukkan bahwa, bagaimana kualitas suatu bahan bakar tertentu.Apabila suatu bahan bakar memiliki ketertundaan pembakaran yang lebih lama, maka dapat dikatakan bahan bakar tersebut memiliki kualitas yang buruk.Faktor yang menyebabkan pembakaran tertunda pada bahan bakar diantaranya adalah nilai flashpoint dan cetane number suatu bahan bakar.Flashpoint sendiri merupakan suhu terendah dimana senyawa/bahan mengeluarkan uap (berdifusi) yang cukup untuk membentuk campuran dengan udara yang dapat terbakar. Dapat dilihat bahwa, nilai flashpoint solar lebih rendah dibandingkan nilai flashpoint TPO dengan nilai 52 ºC untuk solar dan 64 ºC untuk TPO. Sehingga dapat dikatakan bahwa, semakin rendah nilai flashpoint maka kemampuan suatu bahan bakar untuk berubah fase dari cair ke gas akibat adanya panas semakin cepat.
Disisi lain yang mempengaruhi ignition delay time yaitu cetane number (bilangan setana), dimana cetane number menunjukkan tingkat kepekaannya terhadap detonasi (ledakan), sehingga bahan bakar yang memiliki angka setana yang tinggi akan mudah berdetonasi. Untuk angka setana solar yaitu 53,2 sedangkan angka setana TPO yaitu 28,6 hal tersebut yang membuktikan bahwa ignition delay time bahan bakar solar lebih cepat dibandingkan bahan bakar TPO.
Hubungan Antara Burning Rate Terhadap Persentase Campuran Bahan Bakar Yang Digunakan
Gambar 5. Grafik hubungan kandungan TPO dalam pembakaran droplet
terhadapburning rate
Gambar 5 menunjukkan hubungan antara burning rate terhadap persentase campuran bahan bakar solar – TPO.Burning rate tertinggi ditunjukkan pada TPO dengan nilai 1,154 mm2/s, sedangkan yang terendah pada solar yaitu dengan nilai 1,076 mm2/s, walaupun selisih antara TPO dan solar tidak terlalu besar yaitu 0,078 mm2/s. Burning rate sendiri didapatkan dari hasil perbandingan antara diameter droplet terhadap lama waktu terbakarnya bahan bakar sampai api padam.
Hal yang mempengaruhi tinggi atau rendahnya burning rate suatu bahan bakar adalah kecepatan penguapan dan difusi bahan bakar dan kecepatan reaksi terhadap udara (oksigen). Terdapatnya katalis dalam bahan bakar juga akan menyebabkan reaksi pembakaran semakin cepat. Pada properties bahan bakar menunjukkan bahwa TPO memiliki kandungan O dengan nilai 0,10 – 3,96 % m/m, dimana tidak terdapat pada bahan bakar solar. Dengan adanya kandungan O, maka dapat mempercepat reaksi pembakaran.
Hubungan Antara Temperatur Nyala Api Terhadap Persentase Campuran Bahan Bakar Yang Digunakan
Gambar 6. Grafik hubungan kandungan TPO dalam pembakaran droplet
terhadapTemperatur (ºC)
Gambar 6 menunjukkan tingkatan temperatur maksimal pembakaran untuk berbagai persentase campuran bahan bakar, diawali dari pemanasan oleh heater kemudian berpindah ke permukaan droplet melalui proses radiasi, sehingga droplet bahan bakar mengalami perubahan fase dari cair menjadi gas sampai terjadinya pembakaran. Hal tersebut menyebabkan peningkatan temperatur secara drastis yang dibaca oleh sensor data logger.
Pada grafik tersebut, TPO 100 memiliki temperatur tertinggi yaitu dengan nilai 616,94 ºC, sedangkan untuk temperatur solar memiliki nilai yang paling rendah yaitu 436 ºC. Meskipun saat pengujian properties bahan bakar, nilai kalor solar lebih tinggi dibandingkan nilai kalor TPO, namun nilai kalor antara solar dan TPO memiliki nilai selisih yang tidak jauh yaitu dengan nilai 43,8 J/kg untuk solar dan 41,96 J/kg untuk TPO. Nilai kalor suatu bahan bakar menunjukkan bahwa, jumlah panas/kalori yang dihasilkan dari proses pembakaran dalam satuan massa atau volume. Akan tetapi, pada hasil penelitian menunjukkan bahwa temperatur yang dihasilkan dari pembakaran berbanding terbalik dengan nilai kalor bahan bakar.
Salah satu faktor penyebab tingginya temperatur nyala pada bahan bakar TPO yaitu, dikarenakan hasil burning rate yang menunjukkan TPO lebih tinggi dibandingkan solar, akibat dari kecepatan penguapan dan difusi bahan bakar dan kecepatan reaksi terhadap udara (oksigen) bahan bakar TPO lebih besar dibandingkan solar, menyebabkan laju pelepasan panas yang terjadi pada bahan bakar TPO lebih besar dibandingkan bahan bakar solar. Sehingga temperatur yang dihasilkan TPO akan lebih tinggi dibandingkan solar.
Hubungan Antara Tinggi Nyala Api Terhadap Persentase Campuran Bahan Bakar Yang Digunakan
Gambar 7 menunjukkan grafik hubungan kandungan TPO dalam pembakaran droplet terhadap tinggi nyala api. Dari grafik hubungan antara tinggi api dengan persentase campuran bahan bakar terlihat bahwa, tinggi api TPO 100 cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan solar dengan nilai tinggi nyala api TPO 100 yaitu 26,37 mm dan solar yaitu 23,61 mm. selisih nilai tinggi nyala api antara bahan bakar TPO 100 dengan solar yaitu 2,76 mm.
Gambar 7. Grafik hubungan kandungan TPO dalam pembakaran droplet
terhadap tinggi nyala api
Dengan diketahuinya temperatur nyala TPO lebih tinggi dibandingkan
solar, maka densitas bahan bahan bakar akan semakin rendah dan gaya apung uap bahan bakar TPO akan lebih besar dibandingkan dengan solar, menyebabkan kecepatan penguapan dan difusi bahan bakar meningkat dan menyebabkan uap bahan bakar hasil pemanasan akan semakin mudah keatas dan menyebar ke udara, sehingga nyala api yang dihasilkan akan menjadi lebih tinggi. Jadi, walaupun kecepatan pembakaran TPO lebih tinggi dibandingkan solar, akan tetapi kecepatan difusinya lebih tinggi dibandingkan solar, maka api yang dihasilkan akan lebih tinggi. Faktor penyebab lain yaitu perbedaan diameter droplet saat pembakaran. Diameter TPO saat pengujian lebih besar ± 0,1 mm dibandingkan solar, menyebabkan uap bahan bakar menyebar lebih banyak ke udara akibat dari pemanasan heater, sehingga nyala api yang dihasilkan semakin tinggi.
KESIMPULAN
Dari hasil pengamatan dan analisis data yang didapatkan maka penelitian ini dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Semakin banyak persentase campuran TPO terhadap solar maka ledakan-ledakan kecil (micro explosion) yang dihasilkan semakin banyak.
2. Igniton delay time dipengaruhi oleh nilai flash point dan cetane number bahan bakar, semkain rendah nilai flash point, maka kemampuan bahan bakar berubah fase dari cair akibat pemanasan menjadi gas semakin cepat dan semakin tinggi angka cetane number, maka tingkat kepekaannya terhadap detonasi (ledakan) semakin besar.
3. Burning rate dipengaruhi oleh kecepatan penguapan dan difusi bahan bakar dan kecepatan reaksi terhadap udara (oksigen).
4. Semakin tinggi burning rate yang dihasilkan dari pembakaran, maka temperatur nyala pembakaran semakin meningkat yang disebabkan oleh laju pelepasan panas dari suatu bahan bakar.
5. Hal yang mempengaruhi tinggi nyala api yaitu gaya apung dan ukuran droplet bahan bakar.
DAFTAR PUSTAKA
Frigo Stefano, Seggiani Maurizia, Puccini Monica, Vitolo Sandra. 2013. Liquid Fuel Production From Waste Tyre Pyrolysis And Its Utilisation In A Diesel Engine. ScienceDirect Journal.399-408. Koc Bulent A., Abdullah Mudhafar.
2013. Performance Of A 4-Cylinder Diesel Engine Running On Tire Oil – Biodiesel – Diesel Blend. ScienceDirect Journal. 264-269.
Martinez Daniel Juan, Puy Neus, Murillo Ramon, Garcia Tomas, Navarro Victoria Maria, Mastral Maria Ana. 2013. Waste Tyre Pyrolysis. ScienceDirect Journal. 179-213.
Murugan, S., Ramaswamy, M.C., Nagarajan, G. 2008. Performance, Emission And Combustion Studies Of A Di Diesel Engine Using Distilled Tyre Pyrolysis Oil – Diesel Blends. ScienceDirect Journal. 152-159.
Murugan, S., Ramaswamy, M.C., Nagarajan, G. 2008. A Comparative Study On The Performance, Emission, And Combustion Studies Of A Di Diesel Engine Using Distilled Tyre Pyrolysis Oil – Diesel
Blends. ScienceDirect Journal. 2111-2121.v
Murugan, S., Ramaswamy, M.C., Nagarajan, G. 2008. The Use Of Tyre Pyrolysis Oil In Diesel Engines. ScienceDirect Journal. 2743-2749.
Sharma Abhishek, Murugan, S. Investigation On The Behaviour Of A Di Diesel Engine Fueled With Jatropha Methyl Ester (Jme) And Tyre Pyrolysis Oil (Tpo) Blends. ScienceDirect Journal. 699-708.
Vihar Rok, Seljak Tine, Opresnik Rodman Samuel, Katrasnik
Tomaz. 2015. Combustion Characteristic Of Tire Pyrolysis Oil In Turbo Charged Compression Ignition Engine. ScienceDirect Journal. 226-235. Wardana, ING. 2009. Bahan Bakar Dan
Teknologi Pembakaran. PT. Danar Wijaya Brawijaya University Press, Malang.
Wardana, ING. 2009. Combustion Characteristic Of Jatropha Oil Droplet At Various Oil Temperatures. ScienceDirect Journal. 659-664.
