Teori Dasar BAB II TEORI DASAR

(1)

Politeknik Negeri Bandung II-1 BAB II

TEORI DASAR

2.1 Bahan Bakar Fosil

Menurut teori pembentukan minyak bumi, khususnya teori binatang Engler dan teori tumbuh-tumbuhan[14]_{, senyawa-senyawa organik penyusun}

minyak bumi merupakan hasil alamiah proses dekomposisi tumbuhan selama berjuta-juta tahun. Oleh karena itu minyak bumi juga dikenal sebagai bahan bakar fosil selain batubara dan gas alam.

2.1.1 Sifat Umum Bahan Bakar Fosil (Solar)[14]

Sifat-sifat minyak solar pada umumnya meliputi sifat umum, sifat mutu pembakaran (ignition quality), sifat penguapan (volatility), sifat pengkaratan (corrosivity), sifat kebersihan (cleanless), dan sifat viskositas[14].

a. Sifat Umum

Sifat umum minyak solar sesuai spesifikasi ditunjukkan pada pengujian : – Specific Gravity 40o_{C, ASTM D 1298}

– Density 40o_{C, ASTM D 1298}

Adapun batas nilai dari metode pangujian yang disebutkan di atas dapat dilihat pada tabel 2.1.

b. Sifat Mutu Pembakaran (ignition quality)

Minyak solar dapat memberikan kerja mesin yang memuaskan apabila dapat menghasilkan pembakaran sempurna dalam ruang bakar. Udara yang dikompresikan ke dalam ruang bakar mesin sampai tekanan antara 20–30 kgf/cm2 sehingga suhu dalam ruang bakar berkisar 650–750oC. Pembakaran yang sempurna dapat dilakukan dengan menginjeksikan bahan bakar (berupa kabut) ke dalam ruang bakar yang di dalamnya terdapat udara panas sehingga mampu menyalakan bahan bakar. Pembakaran yang terjadi menyebabkan tekanan dalam ruang bakar naik secara mendadak dan menimbulkan tenaga. Bila hal ini dipenuhi, maka tidak akan terjadi ketukan (knocking) di dalam mesin.

(2)

Politeknik Negeri Bandung

Ketukan dalam mesin diesel salah satunya terjadi akibat keterlambatan terbakarnya bahan bakar di dalam ruang bakar. Ini disebabkan oleh terjadinya akumulasi bahan bakar di dalam ruang bakar, dan begitu terbakar maka akan terjadi ledakan secara berturut turut.

Jarak waktu antara bahan bakar diinjeksikan ke ruang bakar (silinder) sampai saat terbakar, disebut waktu tunda (delay period), dinyatakan dalam menit. Waktu tunda yang panjang akan menyebabkan terakumulasinya bahan bakar cukup untuk terjadinya penyalaan yang spontan dan akan menimbulkan suatu kenaikkan tekanan yang mendadak dan mengakibatkan pukulan yang hebat pada ruang bakar.

Hal ini dapat menimbulkan suara yang keras yang selanjutnya disebut Diesel Knock. Sifat mutu pembakaran adalah salah satu ukuran sifat bahan bakar minyak solar. Minyak solar bermutu rendah mempunyai waktu tunda lebih lama. Sifat ini ditunjukkan oleh besar kecilnya angka setana (cetane number).

Tabel 2.1 Standar karakteristik minyak solar

(3)

3. Sifat Penguapan (volatility)

Dalam penggunaannya, diharapkan bahwa minyak solar akan teruapkan sempurna dan terdistribusikan merata di dalam ruang bakar, sehingga dapat terbakar sempurna. Pada saat bahan bakar dapat terbakar sempurna, mengakibatkan mudahnya proses pembakaran pada mesin, waktu pemanasan mesin dan akselerasi. Jika minyak solar sulit untuk terjadi penguapan maka minyak solar tersebut akan sulit pula untuk memenuhi kemudahan start mesin dan rendahnya akselerasi mesin. Bila tingkat penguapannya rendah, ini menunjukkan bahwa di dalam minyak solar terdapat fraksi yang lebih berat. Sifat penguapan minyak solar sesuai spesifikasi ditunjukkan pada pengujian flash point ASTM D 93.

4. Sifat Pengkaratan (corrosivity)

Unsur-unsur dalam minyak solar di samping hidrokarbon, terdapat pula unsur-unsur sulfur, oksigen, nitrogen, halogen dan logam. Senyawa unsur yang bersifat korosif adalah senyawa sulfur. Senyawa-senyawa sulfur dalam minyak solar yang korosif dapat berupa hidrogen sulfida, merkaptan, tiofena. Pada pembakaran bahan bakar, senyawa sulfur akan teroksidasi oleh oksigen dalam udara menghasilkan oksida sulfur. Bila oksida sulfur ini bereaksi dengan uap air akan menghasilkan asam sulfat. Terbentuknya asam sulfat ini dapat bereaksi dengan logam, terutama dalam gas buang. Terdapatnya senyawaan sulfur dalam minyak solar dapat juga ditunjukkan oleh tingkat keasaman minyak solar itu. Makin tinggi sifat keasaman, sifat pengkaratan makin besar terutama bila minyak solar terdapat strong acid number.

5. Sifat Kebersihan (cleanless)

Sifat kebersihan minyak solar yang berhubungan dengan ada atau tidaknya kotoran yang terdapat di dalam minyak solar, sebab kotoran ini akan berpengaruh terhadap mutu, karena dapat mengakibatkan kegagalan dalam suatu operasi dan merusak mesin. Kotoran itu dapat berupa air, lumpur, atau endapan atau sisa pembakaran yang berupa abu dan karbon. Untuk itu makin kecil adanya kotoran di dalam minyak solar makin baik mutu bahan bakar tersebut.

(4)

Politeknik Negeri Bandung 6. Sifat Viskositas

Sifat kemudahan mengalir minyak solar dinyatakan sebagai viskositas dinamik dan viskositas kinetik. Viskositas dinamik adalah ukuran tahanan untuk mengalir dari suatu zat cair, sedang viskositas kinetik adalah tahanan zat cair untuk mengalir karena gaya berat.

Bahan yang mempunyai viskositas kecil menunjukkan bahwa bahan itu mudah mengalir, sebaliknya bahan dengan viskositas tinggi sulit mengalir. Suatu minyak bumi atau produknya mempunyai viskositas tinggi berarti minyak itu mengandung hidrokarbon berat (berat molekul besar), sebaliknya viskositas rendah maka minyak itu banyak mengandung hidrokarbon ringan.

Viskositas minyak solar erat kaitannya dengan kemudahan mengalir pada pemompaan, kemudahan menguap untuk pengkabutan dan mampu melumasi fuel pump plungers. Penggunaan bahan bakar yang mempunyai viskositas rendah dapat menyebabkan keausan pada bagian-bagian pompa bahan bakar. Apabila bahan bakar mempunyai viskositas tinggi, berarti tidak mudah mengalir sehingga kerja pompa dan kerja injektor menjadi berat.

2.1.2 Dampak Penggunaan Bahan Bakar Fosil

Bahan bakar fosil, selain terancam punah, juga memberikan kontribusi besar terhadap pencemaran udara. Bahan bakar minyak yang digunakan saat ini menghasilkan emisi CO2, CO, HC, NOx, SPM dan debu yang dapat menyebabkan

gangguan pernafasan, kanker, bahkan kemandulan.[8]

Selain itu bahan bakar fosil juga sangat berpengaruh terhadap pemanasan global dan merupakan penyebab terbesar terjadinya fenomena hujan asam di muka bumi ini. Hujan asam adalah suatu masalah lingkungan yang serius yang benar-benar difikirkan oleh manusia. Ini merupakan masalah umum yang secara berangsur-angsur mempengaruhi kehidupan manusia. Istilah hujan asam pertama kali diperkenalkan oleh Angus Smith ketika ia menulis tentang polusi industri di Inggris.

Proses terjadinya hujan asam dapat dilihat pada Gambar 2.1.

(5)

Gambar 2.1 Fenomena hujan asam[15]

Pada dasarnya Hujan asam disebabkan oleh 2 polutan udara, Sulfur Dioxide (SO2) dan nitrogen oxides (NOx) yang keduanya dihasilkan melalui

pembakaran. Akan tetapi sekitar 50% SO2 yang ada di atmosfer diseluruh dunia

terjadi secara alami, misalnya dari letusan gunung berapi maupun kebakaran hutan secara alami. Sedangkan 50% lainnya berasal dari kegiatan manusia, misalnya akibat pembakaran bahan bakar fosil.

Minyak bumi mengadung belerang antara 0,1% sampai 3% dan batubara 0,4% sampai 5%. Waktu bahan bakar fosil di bakar, belerang tersebut beroksidasi menjadi belerang dioksida (SO2) dan lepas di udara. Oksida belerang itu

selanjutnya berubah menjadi asam sulfat [8]_.

Dampak dari fenomena hujan asam akan sangat merugikan bagi lingkungan dan dapat merusak ekosistem yang ada di muka bumi ini.

2.2 Motor Diesel

Motor diesel adalah salah satu jenis mesin dengan menggunakan pembakaran dalam atau mesin pemicu kompresi dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi dari udara yang dikompresi dan bukan dari alat lain (busi) [1].

(6)

Mesin ini bekerja dengan mengubah gerakan translasi piston menjadi gerakan berputar dengan pemanfaatan poros engkol.

Motor diesel dapat digolongkan menjadi dua jenis berdasarkan cara penyemprotan dan pembentukan campuran, yaitu:

2.2.1 Injeksi Tak Langsung

Gambar 2.2 Konstruksi motor injeksi tak langsung[2]

a. Bagian-bagian: 1. Injektor 2. Busi pijar 3. Ruang bakar

4. Saluran penghubung

b. Bentuk ruang bakar: ruang bakar ada di dalam kepala silinder atau kamar pusar.

c. Macam-macamnya: 1. Kamar pusar 2. Kamar muka d. Cara Kerja:

Udara dikompresi kedalam ruang bakar (kamar pusar), karena saluran penguhubung menuju tangensial kedalam ruang bakar udara menerima pusaran atau turbulensi yang mempermudah pembentukan campuran. Pada saat bahan bakar disemprotkan. Oleh karena itu, tekanan injektor bisa lebih rendah dan nozel cukup dengan satu lubang.

(7)

Politeknik Negeri Bandung e. Penggunaan:

Untuk motor-motor kecil f. Keuntungan:

- Suara lebih halus dibanding injeksi langsung

- Kelengkapan injeksi lebih murah karena tekanan injeksi lebih rendah g. Kerugian:

- Kehilangan panas banyak (rendemen rendah) - Memerlukan sistem pemanas mula

2.2.2 Injeksi Langsung ( Contoh : Bentuk bak )

Gambar 2.3 Konstruksi motor injeksi langsung[2]

a. Bagian-bagian:

1. Injektor (jenis lubang) 2. Ruang Bakar

b. Bentuk ruang bakar: ruang bakar ada di dalam torak c. Macam-macamnya:

- Bentuk bak - Bentuk hati - Bentuk ½ bola d. Cara Kerja:

Bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam silinder. Nozel injektor biasanya mempunyai banyak lubang.

(8)

Politeknik Negeri Bandung e. Penggunaan:

Untuk motor-motor besar f. Keuntungan:

- Dapat dihidupkan tanpa busi pemanas - Efisiensi tinggi (hemat bahan bakar) g. Kerugian:

- Suara pembakaran keras

- Pompa injeksi dan injektor lebih mahal karena tekanan penyemprotan lebih tinggi.

2.2.3 Sistem Pembakaran Pada Motor Diesel Injeksi Langsung

Secara garis besar proses pembakaran pada motor diesel direct injection terbagi menjadi empat tahap, yaitu ignition delay, premixed or rapid combustion phase, mixing–controlled combustion phase, late combustion phase.

Gambar 2.4 Tipikal diagram kecepatan heat release pada pembakaran mesin

diesel injeksi langsung[1]

a. Fase persiapan pembakaran a-b (Ignition delay).

Ignition delay adalah waktu yang diperlukan antara bahan bakar mulai disemprotkan dengan saat mulai terjadinya pembakaran. Waktu pembakaran bergantung pada beberapa faktor, antara lain pada tekanan dan temperatur udara

(9)

pada saat bahan bakar mulai disemprotkan, gerakan udara dan bahan bakar, jenis dan derajat pengabutan bahan bakar, serta perbandingan bahan bakar dengan udara lokal. Jumlah bahan bakar yang disemportkan selama periode persiapan pembakaran bukan merupakan faktor yang terlalu menetukan waktu persiapan pembakaran.

b. Fase pembakaran cepat b-c (premixed or rapid combustion phase) Pada fase ini udara dan bahan bakar yang telah tercampur (air-fuel mixture) akan terbakar dengan cepat dalam beberapa derajat. Proses pembakaran tersebut terjadi dalam suatu proses pengecilan volume (selama piston masih bergerak menuju ke top dead center). Sampai piston bergerak kembali beberapa derajat sudut engkol sesudah TDC, tekananya masih bertambah besar tetapi laju kenaikan tekanan yang seharusnya terjadi dikompensasikan oleh bertambah besarnya volume ruang bakar sebagai akibat bergerak piston dari TDC ke BDC (buttom dead center). Pada premixed terjadi kenaikan tekanan dan temperatur secara drastis.

c. Fase pembakaran terkendali c-d (mixing controlled combustion phase). Setelah campuran bahan bahan bakar-udara (air-fuel mixture) terbakar pada fase premixed, kecepatan pembakaran ditentukan oleh tersedianya campuran yang siap terbakar. Beberapa proses yang terjadi disini antara lain atomisasi bahan bakar, penguapan, pencampuran dengan udara dan reaksi kimia, sehingga proses pembakaran ditentukan oleh proses pencampuran antara udara dan bahan bakar.

d. Fase pembakaran lanjutan d-e (late combustion phase)

Pada fase ini terjadi proses penyempurnaan pembakaran dan pembakaran bahan bakar yang belum sempat terbakar. Pelepasan energi akan terus berlangsung dengan kecepatan rendah sampai langkah ekspansi. Ada beberapa faktor yang menyebabkan terjadinya pembakaran lanjut ini antara lain sebagian kecil bahan bakar belum terbakar dan sebagian energi bahan bakar tersebut menjadi soot dan produk pembakaran campuran kaya, yang energinya masih dapat terlepas.

(10)

2.2.4 Motor Diesel Untuk Pengujian

Motor diesel yang digunakan untuk pengujian pada penelitian ini adalah motor diesel YANMAR satu silinder model TS 230R, adapun spesifikasi dari motor diesel tersebut adalah sebagai berikut[10]_:

Model : TS 230R

Type : Horizontal- water-cooled 4 cycle diesel Combustion system : Direct Injection

No.of cylinder-bore x stroke (mm) : 1- 112 x 115 Displacement (L) : 1.132

Rate continous output (hp/rpm) : 19 / 2200 Spesific fuel consumption g/ hp. hr : 162 Compretion ratio : 16:1 Fuel injection pump : Bosh type Injction timing : BTDC 19o (±1) Injection pressure (kg/cm2) _{: 200}+5

F.O tank capacity l(US gal) : 21.5 (5.68)

Lubricating oil applicable : API grade CB, CC, CD (SAE 40, 50, 20W) Lubricating il capacity 1 (US gal) : 3.0, 6.0 (0.8/1.6)

Cooling system : Radiator Cooling water capacity l (US gal) : 5.9 (1.6)

Starting system : Hand or Electric Engine dimention (mm) : 962 x 468 x 753 Engine dry weight kg (lb) : 203 (447)

(11)

Adapun bagian-bagian dari motor diesel YANMAR satu silinder model TS 230R dapat dilihat pada Gambar 2.5 dan 2.6:

Gambar 2.5 Bagian-bagian mesin Yanmar (tampak depan)

Gambar 2.6 Bagian-bagian mesin Yanmar (tampak belakang)

(12)

Nama bagian dari motor diesel Yanmar: 1. Baut pengangkat

2. Tangki air 3. Pelampung

4. Tangki bahan bakar 5. Saringan udara 6. Sirkulator pelumas

7. Saringan minyak pelumas 8. Lubang pengisi pelumas

9. Saringan solar 10. Poros pejal 11. Batang penduga 12. Keran air 13. Pengatur kecepatan 14. Tuas dekompresi 15. Knalpot 16. Roda gaya 2.3 Penukar Kalor

Penukar kalor (heat exchanger) adalah alat yang berfungsi untuk mentransfer/ menukar kalor antara dua atau lebih fluida yang memiliki beda temperatur. Pada umumnya yang sering digunakan adalah penukar kalor dengan dua macam fluida. Kedua fluida ini ada yang dipisahkan oleh dinding dan ada juga yang tidak dipisah, sering disebut sebagai direct contact heat exchanger. 2.3.1 Jenis Penukar Kalor

Secara umum jenis penukar kalor yang sudah pernah digunakan dalam suatu industri adalah penukar kalor selongsong tabung (shell and tube heat exchanger), penukar kalor kompak (compact heat exchanger), penukar kalor aliran fluida dalam (internal flow), dan penukar kalor pipa ganda (double pipe heat exchanger).

a. (double pipe heat exchanger)

Penukar kalor pipa ganda merupakan jenis penukar kalor paling sederhana yang terdiri dari dua pipa konsentris (pipa kecil sebagai sentral, yang dibungkus oleh pipa yang lebih besar). Satu fluida mengalir lewat pipa dalam sedangkan fluida yang lain mengalir lewat anulus, antara dinding pipa dalam dan dinding pipa luar. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju aliran fluida

(13)

yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Alat ini biasa digunakan dalam industri skala kecil dan umumnya digunakan dalam skala laboratorium.

Berdasarkan arah aliran, penukar panas jenis pipa ganda dibagi menjadi aliran paralel (parallel flow), dan aliran berlawanan arah (counter flow).

Gambar 2.7 Penukar kalor pipa ganda (a) Aliran paralel, (b) Aliran berlawanan

arah[5]

Ukuran standar yang biasa terdapat pada penukar kalor pipa ganda terdapat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Ukuran standar pipa yang biasa terdapat pada penukar kalor ganda

b. Penukar kalor selongsong-tabung (shell and tube heat exchanger) Penukar kalor ini dapat digunakan pada laju aliran fluida yang relatif besar dan banyak digunakan di industri. Penukar kalor ini salah satu fluida akan mengalir didalam tabung-tabung sedangkan fluida yang lainnya dialirkan melalui selongsong melintasi luar tabung. Biasanya pada selongsong dipasang sekat-sekat atau baffles untuk menjamin fluida mengalir melalui selongsong dan melintasi tabung, sehingga perpindahan panas yang terjadi akan lebih tinggi.

Diameter luar (Inci) Diameter dalam (Inci)

2 11 4 21 2 1 1 4 3 2 4 3

(14)

Konstruksi penukar kalor jenis selongsong tabung dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Penukar kalor selongsong dan tabung[13]

Beberapa jenis penukar panas selongsong dan tabung yang sering dijumpai diantaranya adalah :

- Satu lintas selongsong dan satu lintas tabung - Satu lintas selongsong dan dua lintas tabung - Dua lintas selongsong dan empat lintas tabung

Penukar kalor ini terdapat dua jenis aliran, yaitu aliran sejajar dan aliran berlawanan arah. Aliran sejajar jika ke dua fluida masuk pada ujung yang sama pada penukar kalor, dan mengalir menurut arah yang sama menuju ke ujung yang satu lagi. Adapun kurva suhu untuk aliran searah, diperlihatkan pada gambar 2.9:

Gambar 2.9 Kurva suhu untuk aliran searah[5]

Aliran balik atau berlawanan arah jika fluida yang satu masuk pada satu ujung penukar kalor, sedang fluida yang satu lagi pada ujung penukar yang lain,

(15)

kemudian masing-masing mengalir menurut arah berlawanan. Adapun kurva suhu untuk aliran balik atau berlawanan arah, seperti pada Gambar 2.10:

Gambar 2.10 Kurva suhu untuk aliran berlawanan arah[5]

Aliran searah jarang digunakan pada penukar kalor, karena dengan cara ini tidak dapat membuat suhu keluar fluida yang satu mendekati suhu masuk fluida yang ke dua, dan kalor yang dapat dipindahkan akan kelura dari yang dapat dipindahkan bila aliran itu berlawanan arah. Dengan demikian penukar kalor jenis aliran lawan arah lebih efektif dari pada jenis aliran searah, dan dapat digunakan sebagai dasar pemilihan dan perencanaan alat. Persamaan-persamaan pada penukar kalor dapat dituliskan sebagai berikut[3]_:

a) Perpindahan panas secara thermodinamika Besarnya kalor yang diserap fluida dingin:

(2.1) Besarnya kalor yang diserap fluida panas:

(2.2) = laju aliran massa [kg/s]

= kalor spesifik [J/kg.K]

b) Laju aliran perpindahan kalor yang terjadi

Untuk memperhatikan jumlah perpindahan panas, dibutuhan nilai temperatur mendekati nilai rata-rata yang dinyatakan dengan persamaan:

(2.3)

(16)

q = laju perpindahan kalor

U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh A = luas permukaan perpindahan kalor

= bedasuhu rata-rata logaritma (LMTD)

c) Koefisien perpindahan kalor menyeluruh atau overall convection coefficient (U)

Merupakan suatu besaran yang menunjukkan jumlah panas yang dipindahkan persatuan waktu dalam suatu luas permukaan perpindahan panas dan satuan temperatur.

(2.4) d) Beda suhu rata-rata

Temperatur fluida di dalam penukar kalor pada umumnya tidak konstan, berbeda dari satu titik ke titik lainnya. Pada waktu kalor mengalir dari fluida yang panas ke fluida yang dingin, laju aliran kalor akan berbeda sepanjang lintasan penukar kalor karena harganya bergantung pada beda suhu rata-rata.

(2.5) Keterangan:

= temperatur fluida panas masuk = temperatur fluida panas keluar = temperatur fluida dingin masuk

= temperatur fluida dingin keluar e) Panjang pipa dapat ditentukan

(2.6) Keterangan:

L = panjang tube keseluruhan [m]

(17)

A = luas permukaan keseluruhan [m2] d = diameter dalam tube [m]

f) Jumlah satuan perpindahan (NTU)

(2.7)

c. Penukar kalor arus silang (cross-flow heat exchanger)

Penukar kalor arus silang banyak digunakan dalam pemanasan dan pendinginan udara atau gas. Ada dua jenis penukar kalor arus silang, yaitu:

 Kedua fluida tidak tercampur

Gas dialirkan menyilang berkas tabung dengan dibatasi oleh dinding-dinding pemisah atau sering dikenal sebagai sirip atau fin dan fluida lain berada di dalam tabung. Penukar kalor jenis ini merupakan jenis yang khas dipakai untuk mesin pendingin udara (AC).

 Satu fluida tercampur dan yang lain tidak tercampur.

Gas dikatakan bercampur karena dapat bergerak dengan bebas di dalam alat itu sambil menukar kalor dan fluida lain berada dalam tabung tidak dapat bercampur selama proses perpindahan kalor.

c. Penukar kalor kompak (compact heat exchanger)

Penukar kalor jenis ini merupakan pengembangan konstruksi dari penukar kalor yang biasa digunakan dengan berdasarkan beberapa pertimbangan, misalnya memperluas permukaan perpindahan panas, penurunan tekanan yang lebih kecil, meningkatkan efisiensi alat, efisiensi dimensi, memperbesar kapasitas dan masih banyak pertimbangan lainnya. Penukar kalor kompak yang sering digunakan di industri antara lain :

 Tabung-tabung rata dengan sirip datar kontinyu (flat tubes, cantinuous plate fins)

 Tabung-tabung bundar dengan sirip datar kontinyu (circular tubes, continuous palte fins)

 Tabung bundar bersirip bundar (circular tubes, circular fins)

(18)

 Pelat datar dengan satu laluan (plate fin single pass)  Pelat datar dengan multi laluan (plate fin multipass).

Janis tabung bersirip, baik tabung rata, tabung bundar ataupun tabung bundar dengan sirip bundar biasa digunakan antara fluida cair dengan udara. Sedangkan pelat datar dengan satu atau multi laluan biasa digunakan untuk fluida yang keduanya bersifat gas, hanya memiliki temperatur yang berbeda. 2.3.2 Aliran Fluida Dalam (Internal Flow)

Fluida adalah zat yang mampu mengalir dan menyesuaikan diri dengan tempatnya. Terdapat dua jenis aliran dari fluida, yaitu laminar dan turbulen. Kedua aliran tersebut diatur oleh hukum-hukum yang berbeda, untuk menetukannya diperlukan suatu bilangan yang disebut Bilangan Reynold. Bilangan Reynold adalah angka yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadap gaya-gaya kekentalan (viskositas) dalam gerakan fluida.

Untuk aliran fluida di dalam pipa dikatakan laminer jika memiliki bilangan Reynold kurang dari 2100, sedangkan turbulen jika mempunyai bilangan Reynold lebih dari 4000. Untuk bilangan Reynold antara 2100 sampai 4000, aliran fluida tersebut berubah dari kondisi laminar menjadi turbulen, yang bisa disebut dengan aliran transisi[3]_.

(2.8) (2.9) Sehingga untuk aliran dalam pipa:

(2.10) Ketetangan:

= massa jenis [kg/m3_]

= laju aliran massa [kg/s] = kecepatan [m/s] = viskositas dinamik [kg.m/s]

(19)

Besar koefisien konveksi ditentukan oleh Bilangan Nusselt (Nu). Besarnya Nu untuk setiap perpindahan kalor berbeda-beda bergantung pada peristiwa konveksi yang terjadi, yaitu:

(2.11) Bilangan Prandtl (Pr) merupakan suatu nilai atau harga yang dipakai untuk menentukan distribusi temperatur pada suatu aliran[3]_{, yaitu:}

(2.12) Keterangan:

h = koefisien konveksi [W/m2_.K]

D = diameter pipa [m]

k = konduktifitas thermal bahan [W/m.K] Cp = kalor spesifik [J/kg.K]

µ = viskositas dinamika [kg.m/s]

a. Aliran Laminer

Pada aliran laminer pertikel-partikel bergerak secara teratur di sepanjang lintasan. Aliran laminer diatur oleh hukum yang menghubungkan tegangan geser ke laju perubahan bentuk sudut[3]_{, yaitu:}

(2.13) Dengan menganggap efek dari konveksi natural kecil sehingga aliran adalah tetap sebagai konveksi paksa. Persamaan berikut dapat digunakan untuk mengestimasi koefisien perpindahan panas:

(2.14) b. Aliran Turbulen

Pada aliran turbulen partkel-partikel bergerak secara tidak teratur ke segala arah. Data koefisien perpindahan panas untuk aliran turblen di dalam saluran adalah[3]:

(20)

(2.15) = 0,3; untuk pendingin dan n = 0,4; untuk pemanas

Sehingga koefisien konveksi dapat dihitung[3]:

(2.16)

2.3.3 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi dimana proses perpindahan panas terjadi antara benda atau partikel-partikel yang berkontak langsung. Arah aliran energi kalor dari titik barsuhu tinggi ke suhu rendah.

(2.17) Keterangan:

qk = laju panas konduksi yang berpindah [W] A = luas penampang [m2_]

L = tebal dinding [m]

K = konduktivitas termal bahan [W/m.K]

Gambar 2.11 Konduksi[5]

(21)

2.4 Minyak Nabati (Jarak Pagar) Murni atau Pure Plant Oil (PPO)

PPO adalah minyak yang diperoleh secara langsung baik dari pemerahan atau pengempaan biji sumber minyak, minyak yang telah dimurnikan, maupun minyak kasar tanpa melibatkan modifikasi secara kimia[6]_.

PPO merupakan minyak nabati yang sudah mengalami proses penghilangan getah (degumming) dan netralisasi (deasidifikasi) untuk penghilangan asam lemak bebas tanpa proses pemucatan[9]_{. Proses pemucatan}

merupakan proses lanjutan dari proses pemurnian PPO.

Adapun bentuk buah dan biji jarak, serta alat handpress biji jarak dan minyak jarak yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 2.12:

a b c

Gambar 2.12 a. Buah dan biji jarak, b. Handpress biji jarak, c. Minyak jarak[9]

Minyak nabati yang digunakan sebagai bahan bakar diperoleh melalui ekstraksi. Ekstraksi adalah cara untuk mendapatkan minyak atau lemak dari bahan yang mengandung minyak atau lemak. Ekstraksi minyak nabati dapat dilakukan baik melalui teknik pemerahan mekanis (mechanical expression) maupun menggunakan pelarut (solvent extraction).

Pemerahan mekanis merupakan cara ekstraksi minyak dari bahan berupa biji-bijian dan paling sesuai untuk memisahkan minyak dari bahan yang tinggi kadar minyaknya, yaitu sekitar 30%-50%. Selain mudah diaplikasikan, teknik pemerahan mekanis merupakan metoda ekstraksi yang paling ekonomis.

Minyak nabati yang didapatkan dari ekstraksi biasanya masih mengandung zat-zat yang tidak diinginkan. Zat-zat ini antara lain gum (getah atau lendir yang

(22)

terdiri dari fosfatida, protein, residu, karbohidrat, air, dan resin), asam lemak bebas dan senyawa pengotor lainnya.

Senyawa fosfat disinyalir menjadi penyebab utama dari timbulnya kerak pada ruang bakar, terutama di bagian injektor. Sedangkan asam lemak bebas bersifat korosif sehingga bisa membentuk karat di ruang bakar dan daerah-daerah panas di sekitarnya. Oleh karena itu, minyak nabati perlu melalui beberapa pemrosesan untuk mengeliminasi zat-zat yang tidak diinginkan. Proses minyak nabati sampai menjadi PPO ini tidak mengubah susunan kimianya.

Pengertian ilmiah paling umum dari istilah “biodiesel” mencakup semua bahan bakar motor diesel yang terbuat dari sumber daya hayati atau biomassa. Biodiesel, yang telah dikenal luas oleh masyarakat sebagai bahan bakar motor diesel, merupakan PPO yang telah melalui proses kimia sehingga terjadi perubahan struktur kimiawinya. Proses kimia untuk menghasilkan biodiesel disebut proses transesterifikasi, yaitu proses pengubahan gugus gliserol menjadi gugus alkohol dari asam lemak pada minyak nabati.

Gliserol menyebabkan turunnya sifat volatilitas dari minyak nabati. Secara garis besar PPO merupakan biodiesel yang belum mengalami proses transesterifikasi. Pengkategorian pengembangan jenis biofuel dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Biodiesel dapat dibuat dari minyak nabati maupun lemak hewan, namun yang paling umum digunakan sebagai bahan baku pembuatan biodiesel adalah minyak nabati. PPO adalah semua bahan bakar yang berasal dari minyak tumbuhan.

Pembeda dalam memilih tanaman penghasil minyak nabati, parameternya antara lain berupa flash point, viscosity, heating value dan lainnya (Tabel 2.3). Selain parameter tadi, pemilihan jenis tanaman penghasil PPO juga berdasarkan pertimbangan penggunaan sehari-hari dari tanaman tersebut, antara lain pilihan untuk pangan, pakan atau untuk manfaat lainnya.

(23)

Gambar 2.13 Pengembangan biofuel[9]

Gambar 2.14 Cara pengambilan minyak mentah biji jarak[9]

(24)

Gambar 2.15 Proses pemurnian minyak jarak[9]

Tabel 2.3 Sifat fisik minyak jarak pagar dengan minyak fossil [9]

Properties Mineral Diesel Jatropha Oil

Density (kg/m3₎ ₈₃₀ ₉₁₈ API gravity 37.15 22.18 Kinematic Viscosity at 40°C (cSt) 2.5 37 Cloud Point (°C) -12 9 Pour Point (°C) 17 4 Flash Point (°C) 70 238 Calorific Value (kJ/kg) 42700 37800

Carbon Residue Micro Method (%, w/w) 0.3 0.29

Ash Content (%, w/w) 0.01 0.04 Carbon (%, w/w) 86.71 77.21 Hydrogen (%, w/w) 12.98 10.25 Nitrogen (ppm) 5 3 Oxygen (%, w/w) 0.31 12.52 Sulfur (ppm) 340 8

2.5 Pengaruh Kenaikan Temperatur terhadap Viskositas

Viskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap aliran. Viskositas cairan akan menurun jika temperaturnya meningkat. Pada kondisi yang sama, cairan yang mempunyai viskositas rendah labih mudah mengalir

(25)

dibandingkan dengan cairan yang mempunyai viskositas tinggi. Pada motor diesel viskositas bahan bakar sangatlah berkaitan dengan suplai konsumsi bahan bakar ke dalam ruang bakar dan juga berpengaruh terhadap proses pengabutan melalui injektor.

Minyak nabati jarak pagar (PPO) adalah salah satu bahan bakar alternatif yang bisa digunakan untuk motor diesel baik untuk kendaraan maupun sebagai penggerak mula suatu mesin. Namun pada kenyataanya minyak nabati masih mempunyai nilai viskositas yang tinggi dibanding solar sehingga penggunaanya masih memiliki kendala, baik itu kendala jangka pendek maupun kendala jangka panjang. Yang menjadi kendala jangka pendek yaitu pada kondisi dingin mesin sulit hidup, motor knocking dan penyumbatan oleh PPO, sedangkan kendala jangka panjang yaitu seperti terjadi deposit karbon, keausan berlebihan dan kegagalan pelumasan.

Namun, hal tersebut bisa diatasi dengan cara pemanasan terhadap bahan bakar (minyak nabati) sebelum sistem injeksi pada motor diesel. Pemanasan minyak nabati jarak pagar (PPO) hingga suhu tertentu akan menurunkan viskositasnya (Gambar 2.16). Dengan turunnya viskositas, pengabutan PPO menjadi lancar. Saat diinjeksikan ke ruang bakar PPO akan teratomisasi dan menghasilkan droplet lebih kecil sehingga tidak banyak menimbulkan deposit yang dapat merusak mesin.

Gambar 2.16 Grafik pengaruh temperatur terhadap viskositas[9]