BAB II DASAR TEORI
2. 1 Bahan Bakar Cair
Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya di ladang-ladang minyak, dan memompanya sampai ke atas permukaan bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.
Umumnya dari minyak bumi (crude oil), dapat dipisah-pisahkan beberapa macam bahan bakar cair, antara lain berbagai jenis bensin, minyak tanah, kerosin, berbagai minyak solar serta berbagai jenis minyak bakar untuk ketel uap. Pemisahan-pemisahan menjadi beberapa jenis bahan bakar tersebut dilakukan dengan jalan distilasi bertingkat, melalui berbagai tingkatan temperatur (Djokosetyardjo, 1989).
2. 1. 1 Oli Bekas
Oli merupakan sisa dari produk-produk minyak bumi yang lain. Beberapa produk sisa adalah minyak bakr residu, minyak bakar untuk diesel, road oil, spray oil, coke, asphalt, dll. Oli digunakan sebagai minyak pelumas pada kendaraan, namun limbahnya yaitu oli bekas belum ada penanganan yang tepat sehingga oli bekas tersebut dapat mencemari lingkungan. Untuk itu dilakukan penelitian untuk memanfaatkan oli bekas sebagai bahan bakar alternatif, karena oli bekas tersebut masih memiliki nilai kalor yang cukup tinggi. Adapun karakteristik dari oli bekas ditunjukkan pada table berikut :
Tabel 2.1 Karakteristik Oli Bekas
No. Karakteristik Nilai
1 Massa jenis (kg/l) 0,8873
2. 1. 2 Pembakaran Dengan Minyak Bakar (Oil Burner)
Pembakaran dengan minyak bakar menghendaki butiran-butiran bahan bakar yang disemprotkan ke dalam tungku dalam keadaan yang sangat halus, agar dapat tercampur dengan merata dengan udara pembakarnya.Minyak disemprotkan melalui pengabut minyak, yang juga disebut pembakar, dalam bentuk butiran-butiran minyak yang sangat halus menyerupai kabut minyak.
Sebelum bahan bakar dapat dibakar, terlebih dahulu melalui proses-proses penguapan dan penguraian menjadi gas-gas selengkapnya agar tidak menghasilkan pembakaran yang banyak mengandung jelaga. Untuk pemanasan pendahuluan, penguapan dan penguraian menjadi gas-gas, diperlukan sejumlah panas, yang diambil dari api yang terbentuk dari pembakaran sebelumnya. Untuk tidak terlalu banyak mengambil panas dari api, maka di sekitar mulut pembakar (burner), hendaknya terdapat tembokan-tembokan yang banyak memantulkan panas dari api, yang dengan demikian merupakan penyimpanan panas.
Ada tiga macam cara pengabutan minyak bakar :
a. Pengabutan dengan menggunakan semprotan uap atau udara.
b. Pengabutan tekan, bahan bakar minyak dengan tekanan tertentu akan mengabut dengan sendirinya.
c. Pengabutan putar (rotating burner), yang masih dibantu juga dengan hembusan udara.
a) Pengabutan Dengan Semprotan Uap Atau Udara
Minyak bakar lewat lubang saluran di tengah-tengah pembakar, yang jumlah pengalirannya diatur oleh klep jarum.Udara atau uap dialirkan melalui pipa yang konsentris dengan lubang saluran minyak bakar yang terletak pada mulut pembakar, terdapat lubang-lubang semprot, dengan minyak bakar yang baru saja keluar dari lubang salurannya, dipecah-pecah menjadi butiran-butiran kabut minyak bakar, tepat dimuka mulut pembakar (burner).
Lubang-lubang untuk keluarnya udara atau uap arahnya dibuat tangensial terhadap berkas minyak bakar yang keluar dari lubang salurannya, sedemikian sehingga terjadi pusaran (swirl) campuran minyak bakar dan udara di depan mulut burner.
Dengan demikian, gaya sentrifugal yang timbul akibat terjadinya pusaran campuran minyak bakar dan udara di depan mulut burner akan lebih membantu dalam mengabutkan bahan bakar, yang dengan cara demikian, maka bunga api yang terjadi menjadi pendek dengan diameter yang besar, dan pencampuran antara butiran-butiran minyak bakar dengan udara makin baik hasilnya.
b) Pengabutan Tekan
Dalam hal ini, pengabutan minyak bakar dilakukan dengan cara menekan minyak bakar dengan tekanan yang tinggi, melalui lubang-lubang halus dalam pengabut. Prinsipnya hamper sama seperti pada pengabutan dengan uap atau udara. Melalui lubang-lubang tangensial, minyak bakar dipusar, sehingga keluarnya dari mulut pembakar akan berupa kerucut kabut minyak bakar yang berpusar.
c) Pengabutan Putar (Rotating Burners)
Minyak bakar dialirkan masuk ke suatu ruang. Di dalam ruang tersebut terdapat ujung poros yang berlubang, dan pada ujung poros yang lain terdapat mangkokan pengabutan (atomizer or spray cup). Poros berlubang beserta mangkokan pengabutan, diputar dengan kecepatan putar yang tinggi. Minyak bakar disemprotkan ke dinding mangkok pengabutan yang berputar tersebut, dan akan diputar di sekeliling dinding mangkok dan di semprotkan ke dalam tungku oleh udara penghembus. Udara primer tersebut, dihembuskan oleh sebuah fan yang porosnya menjadi satu dengan poros mangkokan (Djokosetyardjo, 1989).
2. 1. 3 Peralatan Pembakaran Pada Sistem Pembakaran Luar
Jenis dari peralatan pembakaran beserta dapur pembakarannya tergantung dari : Jenis bahan bakar.
Penggunaan.
Cara pengoperasian.
Pertimbangan-pertimbangan yang perlu diambil dalam pemilihan maupun desain dari peralatan pembakaran adalah sebagai berikut :
b. Tinggi yang diperlukan untuk pembakaran sempurna. c. Pendinginan untuk mengatur suhu.
d. Pengaturan dari dapur untuk mengurangi deposit abu dan memudahkan pengeluaran abu.
e. Pengaturan yang memungkinkan penyerapan panas yang besar persatuan volume dari dapur (pemanfaatan panas yang dihasilkan).
f. Kecepatan pembebasan panas yang dibutuhkan.
2. 1. 4 Burner Dengan Bahan Bakar Cair
Di dalam pembakaran dari bahan bakar cair, diperlukan suatu proses penguapan atau proses atomisasi bahan bakar. hal ini diperlukan untuk mendapatkan pencampuran yang baik dengan udara pembakaran. Minyak bakar distilat bisa terbakar dengan api yang biru jika secara sempurna bahan bakar ini diuapkan dan tercampur merata (homogenous) dengan udara sebelum terbakar. Burner yang digunakan untuk membakar bahan bakar dalam bentuk uap atau bentuk atom-atom (spray-doplet) sebelum terbakar berbeda konstruksi dasarnya, yaitu vaporizing burner dan atomizing burner.
2. 1. 4. 1 Vaporizing Burner
Burner jenis ini menggunakan panas dari api untuk menguapkan bahan bakar secara terus menerus. Prinsip penguapan ini dipakai pada kompor lidah api (blow torch). Cara kerja kompor lidah api tersebut adalah dengan memanaskan minyak bakar yang dialirkan ke koil pipa pemanas. Panas didapat dari radiasi lidah api yang diselubungi oleh koil. Uap bahan bakar yang terbentuk kemudian disemprotkan oleh nozzle dengan tekanan yang sama dengan tekanan minyak cair.
Setelah keluar dari nozzle, uap bahan bakar akan bercampur dengan udara dan terbakar membentuk lidah api (torch). Lidah api akan berwarna kuning, dan apabila suhu uap bahan bakar terlalu tinggi maka akan terbentuk nyala api biru yang mempunyai sifat tidak stabil.
Gambar 2.1. Vaporizing Burner
(sumber : http://www.lighterthanair.org/ballooning/general.htm)
2. 1. 4. 2 Atomizing Oil Burner
Pada atomizing oil burner bahan bakar diatomisasikan dalam bentuk spray droplet dengan tekanan 7 – 20 kg/cm2 atau diatomisasi oleh udara/ uap dengan tekanan 0,1 – 15 kg/cm2. Udara pembakaran dimasukkan ke dalam tungku bersama-sama dengan bahan bakar.
Dari cara atomisasinya maka atomizing oil burner dapat dibedakan menjadi 4 jenis :
a. Steam/ air atomizing burner.
b. Mechanical/ oil pressure atomizing burner. c. Centrifuging/ rotary cup atomizing burner. d. High-intensitas burner.
Dalam hal ini peralatan yang digunakan adalah Steam /Air Atomizing Burner.Steam /Air Atomizing Burner adalah peralatan pembakaran dengan atomisasi menggunakan uap atau udara tekanan tinggi.Bahan bakar yang bisa dibakar dengan alat ini adalah semua mutu minyak dari bensin sampai oli.Untuk minyak berat diperlukan pemanasan awal agar minyak bisa mengalir dalam saluran bahan bakar.
Tekanan bahan bakarnya sendiri rendah dan tekanan uapnya sebesar 3 – 12 kg/cm2 dengan menggunakan 1 – 2 kg uap atau 5 – 10 % udara untuk atomisasi.Pemakaian burner jenis ini pada ketel uap menggunakan 2 % dari produk uap untuk atomisasi. Uap panas juga akan membantu memanaskan minyak sehingga jelaga yang terbentuk berkurang.
Gambar 2.2. Steam/ Air Atomizing Burner (sumber : P. K. Nag, 2002)
2. 2 Burner Ketel Uap Pipa api
Burner ketel uap pipa api berfungsi untuk memanaskan air dalam ketel sehingga menghasilkan uap air yang bertekanan. Api akan melalui silinder api, lorong-lorong api dan pipa-pipa ataupun tabung-tabung api yang di bagian luarnya terdapat air atau uap. Burner untuk ketel uap pipa api yang banyak digunakan saat ini adalah burner berbahan bakar solar. Hal ini disebabkan karena bahan bakar solar mudah didapat dan menghasilkan pembakaran yang optimal. Namun, harga solar yang semakin meningkat menyebabkan banyak indusrti kecil yang mengalami kesulitan dalam hal biaya produksi.
Dalam skripsi ini akan dikembangkan burner ketel uap pipa api dengan memanfaatkan bahan bakar oli bekas sebagai pengganti bahan solar dengan pertimbangan bahan bakar oli bekas yang lebih ekonomis.
2. 3 Perencanaan Ketel Uap Pipa Api
Perancangan burner ini berdasarkan pada perencanaan ketel uap pipa api. Direncanakan suatu sistem pembangkit energi panas unit ketel uap dengan kapasitas uap 25 kg/ jam beroperasi pada tekanan 2 bar. Skala kapasitas ketel uap ini cukup mencakup kebutuhan industri kecil, industri pengolahan pangan, dan sebagainya. Jenis uap yang dibutuhkan dalam proses pengolahan biasanya jenis uap basah dengan kualitas uap 0,21 pada temperatur 120 oC.
Berdasarkan perencanaan ketel uap di atas dapat ditentukan energi yang dibutuhkan dengan persamaan sebagai berikut :
Q = 𝑚̇ x ∆h……… (2.1) dimana :
Q = panas yang dibutuhkan (kJ/ jam) 𝑚̇ = kapasitas uap (kg/ jam)
∆h = entalpi akhir – entalpi awal = H – H0 (kJ/kg)
Setelah panas yang dibutuhkan oleh ketel uap diketahui maka panas yang diciptakan oleh burner dapat ditentukan, yaitu Qburner > Qketel. Maka laju massa bahan bakar dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :
𝑄𝑏𝑢𝑟𝑛𝑒𝑟= 𝑚̇𝑜𝑙𝑖 𝑥 𝑁𝐾𝐴…………...…………..……… (2.2)
dimana :
𝑄𝑏𝑢𝑟𝑛𝑒𝑟 = panas yang diciptakan burner (kJ/ jam) 𝑚̇𝑜𝑙𝑖 = laju massa oli bekas (kg/ jam)
NKA = Nilai kalor atas (kJ/ kg)
Dengan diketahuinya laju massa bahan bakar maka luas bidang pembakaran pada burner dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :
dimana :
𝑚̇𝑏𝑏 = laju massa bahan bakar (kg/ jam) 𝜌𝑏𝑏 = massa jenis bahan bakar (kg/ l) V = kecepatan (m/ s)
A = Luas bidang pembakaran (m2)
2. 3. 1 Ruang Bakar Burner
Ruang bakar merupakan ruang terselubung dimana reaksi dan hasil pembakaran dari burner terjadi, terisolasi, bergerak dinamis dan terkontrol. Ruang bakar merupakan salah satu komponen yang paling kritis dari suatu pembangkit uap dan harus dirancang secara konservatif. Konfigurasi ruang bakar dan ukurannya ditentukan oleh kebutuhan pembakaran, karakteristik bahan bakar, emisi standar untuk material, dan kebutuhan akan tersedianya aliran gas dan temperatur masuk bidang permukaan untuk mengurangi deposit abu dan temperatur berlebihan.
Proses perpindahan panas yang terjadi pada ruang bakar dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.3 Perpindahan Panas Melalui Dinding Yang Bersih (sumber : Djokosetyardjo, 1989)
Di dalam gambar berikut ini, memisalkan api ada di sebelah kiri dari dinding ketel, sedangkan air/ uap ada di sebelah kanan dari dinding ketel.Bila :
F = luas dinding ketel yang dilewati panas (m2) s = tebal dinding dalam (m)
λ = angka perambatan panas (KJ/ m.jam.oK)
α1 = angka peralihan panas dari api ke dinding ketel (KJ/ m.jam.0K) α2 = angka peralihan panas dari dinding ketel ke air (KJ/ m.jam.0K)
Q1 = panas yang diserahkan oleh api kepada dinding ketel, yang besarnya adalah : Q1 = α1. F. (Tapi – Td1) ………... (2.4) Q2 = Panas yang dirambatkan di dalam di dinding ketel, besarnya :
𝑄2 = 𝜆
𝑠 𝐹 (𝑇𝑑1− 𝑇𝑑2)………. (2.5)
Q3 = panas yang diserahkan oleh dinding ketel kepada air/ uap, yang besarnya adalah : Q3 = α2. F. (Td2 – Tair/uap)……… (2.6) Td1 = temperatur dinding ketel sebelah kiri (0K)
Td2 = temperatur dinding ketel sebelah kanan (0K)
Bila perpindahan panas dari api ke air/ uap melalui dinding ketel tersebut keadaannya dalam keadaan seimbang (steady state), maka :
